高中物理 第1章 第2节 库仑定律课件 新人教版选修3-1.ppt

第一章静电场 第2节库仑定律 1 通过演示实验 定性了解电荷之间的作用力大小与电荷量的多少以及电荷之间距离大小的关系 2 明确点电荷是个理想模型 知道带电体简化为点电荷的条件 感悟科学研究中建立理想模型的重要意义 3 知道库仑定律的文字表述及其公式表述 通过静电力与万有引力的对比 体会自然规律的多样性和统一性 4 了解库仑扭秤实验 要点一探究影响电荷间相互作用力的因素1 实验装置与原理把一个绝缘的 带正电的小球放在A处 另把一个带正电的轻质小球悬挂在丝线上 先后挂在P1 P2 P3等位置 如图所示 小球所受带电球A作用力的大小可以通过丝线偏离竖直方向的角度显示出来 观察小球在不同位置时丝线偏离竖直方向的角度 可以比较小球所受力的大小 再把小球挂在某个固定位置 增大或减小它所带的电荷量 比较小球受力大小的变化 2 探究过程3 探究结果电荷之间的作用力随着电荷量的增大而增大 随着距离的增大而减小 2 对点电荷的理解 点电荷是只有电荷量 没有大小 形状的理想化模型 类似于力学中的质点 实际上并不存在 一个带电体能否看做点电荷 是相对于具体问题而言的 不能单凭其大小和形状确定 有的同学误认为 大的带电体一定不能看成点电荷 小的带电体一定能看成点电荷 辨析 一个带电体能否看成点电荷 并不在于它体积的大小 而是应具体问题具体分析 即使是大的带电体 在一定条件下 也可以看成点电荷 即使是小的带电体 在一定条件下也不一定能看成点电荷 2 库仑定律 1 内容真空中两个静止点电荷之间的相互作用力 与它们的电荷量的乘积成正比 与它们的距离的二次方成反比 作用力的方向在它们的连线上 电荷之间的这种作用力称为静电力 又叫做库仑力 库仑定律仅适用于真空中两个点电荷间静电力的计算 对于不能看做点电荷的带电体 不能直接应用库仑定律计算静电力 对于两个均匀带电的球体 相距较远时也可视为点电荷 此时r是两球心的距离 3 应用库仑定律解题应注意的问题 1 真空中两个静止点电荷间相互作用力的大小只跟两电荷的电荷量及间距有关 跟它们的周围是否有其他电荷等无关 2 两个点电荷之间相互作用的库仑力遵守牛顿第三定律 即两带电体间的库仑力是一对作用力与反作用力 不要认为电荷量大的电荷对电荷量小的电荷作用力大 3 库仑力也称为静电力 它具有力的共性 它与学过的重力 弹力 摩擦力是并列的 它具有力的一切性质 它是矢量 合成分解时遵循平行四边形定则 能与其他的力平衡 使物体发生形变 产生加速度 4 可将计算库仑力的大小与判断库仑力的方向两者分别进行 即用公式计算库仑力大小时 不必将表示电荷Q1 Q2的带电性质的正 负号代入公式中 只将其电荷量的绝对值代入公式中从而算出力的大小 力的方向再根据同种电荷相互排斥 异种电荷相互吸引加以判别 也可将Q1 Q2带符号运算 F为 表示斥力 F为 表示引力 4 库仑定律与万有引力定律的比较 1 库仑定律和万有引力定律都遵从与二次平方成反比规律 人们至今还不能说明它们的这种相似性 2 两个定律列表比较如下 3 对于微观的带电粒子 它们之间的库仑力要比万有引力大得多 电子和质子的静电引力F1是它们间万有引力F2的2 3 1039倍 正因如此 以后在研究带电微粒间的相互作用时 可以忽略万有引力 当弹性扭丝处于自然状态时 调节螺丝 使A与C接触 接着使C带上电荷 因A C之间的斥力 使AB转动 当A C间的斥力产生的转动力矩与扭丝阻碍绝缘棒AB转动的力矩达到平衡时 AB就静止在某一角度上 根据这一角度 便可测出带电小球间的斥力 库仑实验中的思想方法1 根据库仑扭秤原理可以测量较小的相互作用力 2 利用电荷在两个相同金属球之间等量分配的原理来控制带电体的电荷量 就可以保证实验中金属球的电荷量成倍变化 3 根据电荷在金属球表面均匀分布的特点 把金属球上的电荷想象成集中在球心的 点电荷 这样可以解决测量带电体之间距离的问题 2 三个自由点电荷的共线平衡问题若要使三个自由点电荷均处于平衡状态 三个电荷的电荷量大小 电性关系及相对位置关系有如下特点 1 三自由点电荷电性必为 两同一异 若三者均带同种电荷 无论怎么放 外侧点电荷都不可能平衡 2 异种电荷必放中间 若异种电荷B放外侧 它本身就不可能平衡 3 放在内侧的异种电荷B电荷量最小 因为若QB QC 则FBA FCA A不能平衡 若QB QA 则FBC FAC C不能平衡 可形象地概括为 三点共线 两同夹异 两大夹小 近小远大 即三个电荷必须在同一直线上 且中间近的电荷量小 与旁边两个为异种电荷 两边电荷靠近中间近的电荷量较小 远的电荷量较大 共线力的平衡问题可用直接合成法处理 若为三个互成角度的力的平衡问题 常用直接合成法 即两个力的合力和第三个力等大反向 也可用正交分解法处理 若为多个互成角度的共点力的平衡问题 首先用正交分解法 也可用平行四边形法 如图所示 两个半径均为r的金属球放在绝缘支架上 两球面最近距离为r 带等量异种电荷 电荷量为Q 关于两球之间的静电力 下列选项中正确的是 分析 首先判断两个带电球能否简化成点电荷 如不能简化成点电荷就不符合库仑定律的适用条件 解析 两球间的距离和球本身的大小差不多 不符合简化成点电荷的条件 因为库仑定律的公式计算只适用于点电荷 所以不能用公式去计算 我们可以根据电荷间的相互作用的规律来做一个定性分析 由于两带电体带等量异种电荷 电荷间相互吸引 答案 B 方法总结 带电体能否简化为点电荷 是库仑定律应用中的关键点 另一个条件是 真空 中 一般没有特殊说明的情况下 都可按真空来处理 求解实际带电体间的静电力 可以把实际带电体转化为点电荷 再求解库仑力 对于不要求定量计算的实际带电体间的静电力 可以用库仑定律定性分析 变式训练1 1 答案 D 有三个完全相同的金属小球A B C A带电荷量为7Q B带电荷量为 Q C不带电 将A B固定起来 然后让C球反复与A B接触 最后移去C球 试问A B间的库仑力变为原来的多少 解析 题中所说 C与A B反复接触 隐含一个解题条件 即A B原先所带电荷量的总和最后被三小球平分 方法总结 1 一类题型是两定律的结合 需对电荷进行电性的分析 2 另一类题型需对电荷在不同带电体间接触后电荷量的分配进行定量分析 如图所示 半径相同的两个金属小球M N带有电荷量相等的电荷 可视为点电荷 相隔一定距离 两球之间的相互吸引力的大小是F 现让第三个半径相同的不带电的金属小球P先后与M N两球接触后移开 这时M N两球之间的相互作用力为 变式训练2 1 答案 A 2014 河北区模拟 如图所示 A B两个点电荷的电量分别为 Q和 q 放在光滑绝缘水平面上 A B之间用绝缘的轻弹簧连接 当系统平衡时 弹簧的伸长量为x0 若弹簧发生的均是弹性形变 则 A 保持Q不变 将q变为2q 平衡时弹簧的伸长量等于2x0B 保持q不变 将Q变为2Q 平衡时弹簧的伸长量小于2x0C 保持Q不变 将q变为 q 平衡时弹簧的缩短量等于x0D 保持q不变 将Q变为 Q 平衡时弹簧的缩短量小于x0 答案 B 方法总结 平衡 指带电体加速度为零或匀速直线运动状态 仍属于 静力学 范畴 分析受力时 只是带电体受的外力中多一项电场力而已 解题步骤为 1 明确研究对象 2 分析研究对象所受外力 其中的电场力要根据电荷的正 负及电场的方向来判定 3 根据平衡条件F合 0列方程 4 解方程 求出结果 如图所示 大小可以不计的带有同种电荷的小球A和B互相排斥 静止时两球位于同一水平面 绝缘细线与竖直方向的夹角分别为 和 且 由此可知 A B球带的电荷量较多B B球质量较大C B球受的拉力较大D 两球接触后 再静止下来 两绝缘细线与竖直方向的夹角变为 则仍有 变式训练3 1 答案 D 解析 C球存在时两悬线都处于竖直方向 A B两球处于受力平衡状态 说明A B两球带异种电荷 移走C球 A B两球相互吸引 隔离分析A球或B球 库仑力属于相互作用力 质量大的小球 悬线与竖直方向的夹角小 故A选项正确 答案 A 方法总结 库仑定律给出了两个点电荷作用力的大小及方向 库仑力毕竟也是一种力 同样遵循力的合成与分解法则 遵循共点力平衡条件 牛顿定律等力学基本规律 因此 处理库仑力问题实际就是力学规律方法的合理迁移 一根置于水平面上的光滑玻璃管 绝缘体 内部有两个完全相同的弹性金属球A B 带电量分别为9Q和 Q 从图中所示位置由静止开始释放 一切摩擦均不计 问 两球再次经过图中位置时 两球的加速度是释放时的多少倍 变式训练4 1 答案 16 9倍 1 2014 扬州模拟 关于点电荷的说法 正确的是 A 只有体积很小的电荷 才能作为点电荷B 体积很大的电荷 一定不能作为点电荷C 点电荷一定是带电量很小的电荷D 两个带电的金属小球 不一定能将它们作为电荷集中在球心的点电荷处理 解析 点电荷属于理想化的物理模型 带电体看作点电荷的条件 当一个带电体的形状及大小对它们间相互作用力的影响可忽略时 这个带电体可看作点电荷 是由研究问题的性质决定的 与自身大小形状无具体关系 故D选项正确 答案 D 答案 B 答案 B 4 如图所示 等边三角形ABC 边长为L 在顶点A B处有等量异种点电荷QA QB QA Q QB Q 求在顶点C处的点电荷QC所受的静电力 静电力常量为k 解析 当QC为正电荷时 受力情况如图所示 QA QB对QC的作用力大小和方向都不因其他电荷的存在而改变 仍然遵守库仑定律 答案 见解析