2018-2019學年高中物理 第一章 靜電場 1.2 庫侖定律課件 新人教版選修3-1.ppt

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2庫侖定律,【自主預習】1.探究影響電荷間相互作用力的因素：(1)探究方法：電荷間存在相互作用力，其大小可能跟_______以及它們之間的_____等因素有關，為了研究其定量關系，通常用___________來進行實驗探究。,電荷量,距離,控制變量法,,(2)探究結論：兩電荷之間的作用力隨它們之間距離的增大而_____，隨它們之間距離的減小而_____。兩電荷之間的作用力隨電荷量的增大而_____，隨電荷量的減小而_____。,減小,增大,增大,減小,,2.庫侖定律：(1)點電荷：當實際帶電體的大小_______它們之間的距離，以致帶電體的形狀、大小及電荷分布狀況對它們之間的作用力的影響可以_____時，這樣的帶電體可看作點電荷，它是_______的物理模型。,遠小于,忽略,理想化,,(2)庫侖定律：①內容：真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成_____，與它們的距離的二次方成_____，作用力的方向在它們的_____上。電荷之間存在著的相互作用力稱為_______或庫侖力。,正比,反比,連線,靜電力,②表達式：F=，其中k叫靜電力常量，k=________________。③適用條件：在真空中靜止的_______。,,9.0109Nm2/C2,點電荷,【預習小測】1.下列關于點電荷的說法中正確的是()A.體積大的帶電體一定不是點電荷B.當兩個帶電體的形狀、大小等因素對它們之間的相互作用力的影響可忽略時，這兩個帶電體可看成點電荷C.點電荷就是體積足夠小的電荷D.點電荷就是電荷量和體積都很小的帶電體,,【解析】選B。帶電體能否看成點電荷，與帶電體的形狀、體積大小無關，主要看帶電體的形狀、體積大小相對于研究的問題是否可以忽略，如果能夠忽略，則帶電體可以看成點電荷，否則不能。,,2.(多選)下列說法中正確的是()A.點電荷是一種理想模型，真正的點電荷是不存在的B.點電荷就是體積和帶電量都很小的帶電體C.根據(jù)F=可知，當r→0時，F(xiàn)→∞D.一個帶電體能否看成點電荷，不是看它的尺寸大小，而是看它的形狀和大小對所研究的問題的影響是否可以忽略不計,,【解析】選A、D。點電荷是一種理想模型，一個帶電體能否看成點電荷不是看其大小，而是應具體問題具體分析，是看它的形狀和尺寸對相互作用力的影響能否忽略不計。當r→0時，F(xiàn)=不再適用，所以本題A、D對。,,3.(多選)已經證實，質子、中子都是由上夸克和下夸克兩種夸克組成的，上夸克帶電量為e，下夸克帶電量為-e，e為電子所帶電荷量的大小。如果質子是由三個夸克組成的，且各個夸克之間的距離都為l=1.510-15m，則質子內相鄰兩個夸克之間的靜電力(庫侖力)為()A.斥力46NB.引力23NC.引力46ND.斥力23N,,【解析】選A、B。質子帶電+e，所以它是由2個上夸克和1個下夸克組成的，三個夸克正好位于等邊三角形的三個頂點處，由庫侖定律得這時上夸克與上夸克之間的靜電力：F1=，代入數(shù)值，得F1=46N，為斥力；上夸克與下夸克之間的靜電力由庫侖定律得：F2=，代入數(shù)值，得F2=23N，為引力。,主題一探究影響電荷間相互作用力的因素【互動探究】如圖，O是一帶正電的物體，把系在絲線上的帶正電的小球先后掛在P1、P2、P3等位置。利用此裝置探究影響電荷間相互作用力的因素。,試結合上述情景，討論下列問題：(1)在本實驗中，電荷間相互作用力的大小與懸線偏離豎直方向的夾角大小有什么關系？提示：懸線偏離豎直方向的夾角越大，說明二者的相互作用力越大；反之則越小。,(2)在電荷量不變的情況下，探究電荷間作用力與電荷間距離的關系時，怎樣操作？實驗結論是什么？提示：把一帶正電的球A放在實驗臺上，用絲線懸掛一帶正電的小球B于鐵架臺上。移動球A，觀察懸線偏離豎直方向的夾角隨A、B間距離的變化而變化的情況。實驗結論：兩電荷之間的作用力隨它們之間距離的增大而減小，隨距離的減小而增大。,(3)在電荷間距離不變的情況下，探究電荷間作用力與電荷量的關系時，怎樣操作？實驗結論是什么？提示：保持電荷間距離不變，分別用帶不同電荷量的小球A做實驗，觀察小球B的懸線偏離豎直方向的角度隨電荷量的變化而變化的情況。實驗結論：兩電荷間的作用力隨電荷量的增大而增大，隨電荷量的減小而減小。,(4)由問題(1)、(2)、(3)我們可以得出什么結論？提示：電荷之間存在著相互作用力，力的大小與電荷量的大小、電荷間距離的大小有關。電荷量越大，距離越小，作用力就越大；反之，電荷量越小，距離越大，作用力就越小。,【探究總結】探究影響電荷間相互作用力的因素的方法,【典例示范】小明同學要探究電荷之間的相互作用力跟什么因素有關。他將一個帶正電的物體放在A處，然后將掛在絕緣絲線上帶正電的同一小球先后掛在距A點距離逐漸增大的P1、P2、P3處，小球受力發(fā)生偏移的情況分別如圖甲、乙、丙所示。請根據(jù)實驗現(xiàn)象及相關條件，歸納得出初步結論。,觀察甲、乙和丙圖可知：(1)____________________________。(2)____________________________。,,【解題指南】解答本題要明確以下兩個方面：(1)絕緣絲線懸掛的小球的重力相同。(2)絕緣絲線懸掛的小球靜止時處于平衡狀態(tài)。,,【解析】(1)由于帶電小球偏離了豎直方向，所以小球受到了帶電體A的力的作用。由此可知，同種電荷相互排斥。(2)由圖示情況可知，隨著帶電小球與帶電體之間距離的增大，帶電小球偏離豎直方向的角度減小，說明其受到的斥力減小。由此可知，電荷間的作用力大小與帶電體之間的距離有關，且距離越大，作用力越小。,,答案：(1)同種電荷相互排斥(2)同種電荷之間的距離越大，相互排斥的作用力越小,【探究訓練】在探究兩電荷間相互作用力的大小與哪些因素有關的實驗中，一同學猜想可能與兩電荷間的距離和帶電量有關。他選用帶正電的小球A和B，A球放在可移動的絕緣座上，B球用絕緣絲線懸掛于玻璃棒C點，如圖所示。,實驗時，先保持兩電荷量不變，使A球從遠處逐漸向B球靠近，觀察到兩球距離越小，B球懸線的偏角越大，再保持兩球的距離不變，改變小球所帶的電荷量，觀察到電荷量越大，B球懸線的偏角越大。實驗表明：兩電荷之間的相互作用力，隨其距離的________而增大，隨其所帶電荷量________而增大。,,此同學在探究中應用的科學方法是________(選填“累積法”“等效替代法”“控制變量法”或“演繹法”)。,,【解析】對小球B進行受力分析，設懸線與豎直方向的夾角為θ，可以得到小球受到的電場力：F=mBgtanθ，即B球懸線的偏角越大，電場力也越大；所以使A球從遠處逐漸向B球靠近，觀察到兩球距離越小，B球懸線的偏角越大，說明了兩電荷之間的相互作用力，隨其距離的減小而增大；兩球距離不變，改變小球所帶的電荷量，觀察到電荷量越大，B球懸線的偏角越大，說,,明了兩電荷之間的相互作用力，隨其所帶電荷量的增大而增大，先保持兩球電荷量不變，使A球從遠處逐漸向B球靠近。這是只改變它們之間的距離；再保持兩球距離不變，改變小球所帶的電荷量。這是只改變電量。所以采用的方法是控制變量法。答案：減小增大控制變量法,,【補償訓練】1.如圖所示，兩個帶電球，大球的電荷量大于小球的電荷量，可以肯定()A.兩球都帶正電B.兩球都帶負電C.大球受到的靜電力大于小球受到的靜電力D.兩球受到的靜電力大小相等,,【解析】選D。兩個帶電體之間存在著排斥力，故兩球帶同種電荷，可能都帶正電，也可能都帶負電，故選項A、B都錯；靜電力遵循牛頓第三定律，兩球受到的靜電力大小相等，故C項錯，D項對。,,2.用控制變量法，可以研究影響電荷間相互作用力的因素。如圖所示，O是一個帶電的物體，若把系在絲線上的帶電小球先后掛在橫桿上的P1、P2、P3等位置，可以比較小球在不同位置所受帶電物體的作用力的大小。這個力的大小可以通過絲線偏離豎直方向的角度θ顯示出來。若物體O的電荷量用Q,,表示，小球的電荷量用q表示，物體與小球間距離用d表示，物體和小球之間的作用力大小用F表示。則以下對該實驗現(xiàn)象的判斷正確的是(),,A.保持Q、q不變，增大d，則θ變大，說明F與d有關B.保持Q、q不變，減小d，則θ變大，說明F與d成反比C.保持Q、d不變，減小q，則θ變小，說明F與q有關D.保持q、d不變，減小Q，則θ變小，說明F與Q成正比,,【解析】選C。保持Q、q不變，增大d，庫侖力變小，則θ變小，減小d，庫侖力變大，則θ變大。但不能說明F與d成反比，故A、B錯誤；保持Q、d不變，減小q，則庫侖力變小，θ變小，知F與q有關，故C正確；保持q、d不變，減小Q，則庫侖力變小，θ變小，但該現(xiàn)象不足以說明F與Q成正比，故D錯誤。,,3.(2018蘇州高二檢測)如圖所示，一帶正電的物體位于M處，用絕緣絲線系上帶正電的相同的小球，分別掛在P1、P2、P3的位置，可觀察到小球在不同位置時絲線偏離豎直方向的角度不同。則下面關于此實驗得出的結論中正確的是(),,A.電荷之間作用力的大小與兩電荷間的距離有關B.電荷之間作用力的大小與兩電荷的性質有關C.電荷之間作用力的大小與兩電荷所帶的電量有關D.電荷之間作用力的大小與絲線的長度有關,,【解析】選A。在研究電荷之間作用力大小的決定因素時，采用控制變量的方法進行，如本實驗，根據(jù)小球的偏角可以看出小球所受作用力逐漸減小，由于沒有改變電性和電量，不能研究電荷之間作用力和電性、電量關系，故B、C、D錯誤，A正確。,,主題二庫侖定律【互動探究】有一個半徑為20cm的帶電圓盤，距離圓盤某處有一個電子，試結合上述情景，討論下列問題：,,(1)能否把帶電圓盤看作點電荷？提示：能否把帶電圓盤看作點電荷，不能只看大小，要視具體情況而定。若考慮它與10m遠處的一個電子的作用力時，完全可以把它看作點電荷；若電子距圓盤只有1mm，這一帶電圓盤就相當于一個無限大的帶電平面，因而不能看作點電荷。,,(2)把帶電體看成點電荷的條件是什么？提示：當帶電體的線度比相互作用的距離小很多時，帶電體可視為點電荷。,,(3)在情景中當帶電圓盤與電子的距離r→0時，帶電圓盤與電子間的作用力F→∞，這種說法正確嗎？提示：不正確。因為當r→0時，兩個帶電體已不能看作點電荷，不能直接用庫侖定律來計算它們之間的相互作用力。,,【探究總結】1.對點電荷的理解：(1)點電荷是物理模型：只有電荷量，沒有大小、形狀的理想化的模型，類似于力學中的質點，實際中并不存在。,,(2)帶電體看成點電荷的條件：如果帶電體間的距離比它們自身的大小大得多，以至于帶電體的形狀和大小對相互作用力的影響很小，就可以忽略其形狀、大小等次要因素，只保留對問題有關鍵作用的電荷量，帶電體就能看成點電荷。,,2.對庫侖定律的四點理解：(1)適用條件：庫侖定律成立的條件是真空中兩個點電荷間的相互作用力。但空氣中兩點電荷間的相互作用力也可以近似用庫侖定律計算。(2)庫侖力的合成：空間中有多個電荷時，某電荷所受的靜電力是其他所有電荷單獨對其作用的庫侖力的矢量和(力的合成)。,,(3)庫侖力的性質：兩個點電荷之間相互作用的庫侖力遵守牛頓第三定律，即兩帶電體間的庫侖力是一對作用力與反作用力。不要認為電荷量大的電荷對電荷量小的電荷作用力大。(4)庫侖力的計算：用公式計算庫侖力大小時，不必將表示電荷Q1、Q2的帶電性質的正、負號代入公式中，只將其電荷量的絕對值代入即可；力的方向再根據(jù)同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引加以判別。,,【典例示范】(多選)如圖所示，兩個質量均為m的完全相同的金屬球殼a與b，其殼層的厚度和質量分布均勻，將它們固定于絕緣支座上，兩球心間的距離為l且為球半徑的3倍。若使它們帶上等量異種電荷，使其電荷量的絕對值均為Q，那么a、b兩球之間的萬有引力F引和庫侖力F庫分別為(),,,【解題指南】解答本題的關鍵是明確以下兩點：(1)萬有引力定律的適用條件。(2)庫侖定律的適用條件,,【解析】選D。因為庫侖定律只適用于可看作點電荷的帶電體，而本題中由于a、b兩球殼所帶異種電荷相互吸引，使它們各自的電荷分布不均勻，即相互靠近的一側電荷分布比較密集，又因兩球心間的距離l只是其半徑r的3倍，不滿足l?r的要求，故不能將兩帶電球殼看成點電荷，所以不能應用庫侖定律。萬有引力定律適用于兩個可看成質點的物體，雖然兩球心間的距,,離l只是其半徑r的3倍，但由于其殼層的厚度和質量分布均勻，故兩球殼可看作質量集中于球心的質點。因此，可以應用萬有引力定律。綜上所述，對于a、b兩帶電球殼從整體來說，滿足萬有引力定律的適用條件，不滿足庫侖定律的適用條件，故只有選項D正確。,,【探究訓練】(2018蕪湖高二檢測)如圖所示，abcde是半徑為r的圓的內接正五邊形，在其頂點a、b、c、d處各固定有電荷量為+Q的點電荷，在e處固定有電荷量為-3Q的點電荷，放置在圓心O處的點電荷-q受到的靜電力的大小和方向為(),,A.，方向從e指向OB.，方向從e指向OC.，方向從e指向OD.，方向從e指向O,,【解析】選A。本題若用常規(guī)解法，應分別求出五個頂點處的電荷對圓心O處的電荷的作用力，再根據(jù)矢量合成法則求出這五個力的合力，需要進行大量的計算和繪圖?，F(xiàn)在設想在e處放一電荷量為+Q的點電荷，正五邊形五個頂點處的點電荷就關于圓心O對稱，根據(jù)對稱性可知，五個+Q對于圓心O處的-q的作用力的合力為零。利用該思路可方便求解。將頂點e處的-3Q等效為+Q和,,-4Q，五個+Q對圓心O處的-q的作用力的合力為零。因此，對圓心O處的-q的作用力等效為在e處的-4Q對-q的作用力，由庫侖定律得：F=，由同種電荷相斥可知，力的方向從e指向O，選項A正確。,,【補償訓練】1.在真空中某點電荷的電場中，在距該點電荷為r1處引入電荷量為q的檢驗電荷時，所受靜電力大小為F，將該檢驗電荷放在距該點電荷為r2處時，受到的靜電力大小為(),,【解析】選C。由庫侖定律知F=。將該檢驗電荷放在r2處時，F(xiàn)′=。則F′=，故C正確。,,2.一個半徑為R的圓盤，帶電荷量為Q，OO′為過圓盤的圓心O的直線，且OO′與圓盤面垂直，在OO′上的M點放電荷量為q的另一個點電荷，此時Q與q的庫侖力為F，若將q移至N點，Q與q的庫侖力為F′。已知OM=MN=R，如圖所示，則F′等于(),,2.一個半徑為R的圓盤，帶電荷量為Q，OO′為過圓盤的圓心O的直線，且OO′與圓盤面垂直，在OO′上的M點放電荷量為q的另一個點電荷，此時Q與q的庫侖力為F，若將q移至N點，Q與q的庫侖力為F′。已知OM=MN=R，如圖所示，則F′等于()A.2FB.FC.D.以上答案都不對,,【解析】選D。由于點電荷q和圓盤間距離為R，而圓盤的半徑也為R，因而圓盤的大小和形狀不能忽略，即不能看成點電荷，所以q和圓盤間的庫侖力也就不能使用庫侖定律計算，故答案為D。,,【延伸探究】若將圓盤中的電荷集中于O點，其他條件不變，則F′等于多少？【解析】兩電荷距離變?yōu)樵瓉淼膬杀?，庫侖力變?yōu)樵瓉淼乃姆种?，即F′=。答案：,,3.三個相同的金屬小球1、2、3分別置于絕緣支架上，各球之間的距離遠大于小球的直徑。球1的帶電荷量為q，球2的帶電荷量為nq，球3不帶電且離球1和球2很遠，此時球1、2之間作用力的大小為F?，F(xiàn)使球3先與球2接觸，再與球1接觸，然后將球3移至遠處，此時球1、2之間作用力的大小仍為F，方向不變。由此可知()A.n=3B.n=4C.n=5D.n=6,,【解析】選D。設1、2兩球之間的距離為r，球3和它們沒有接觸前，由庫侖定律有=F，接觸后，球2帶電荷量為q，球1帶電荷量為q，由庫侖定律有=F，聯(lián)立上面兩式解得n=6，D項對。,,【通法悟道】應用庫侖定律的三點注意(1)帶電體能否視為點電荷的判斷依據(jù)是帶電體的形狀、大小對靜電力而言是次要因素。(2)掌握庫侖定律的使用條件，進行大小計算時代入電荷量的絕對值。方向由電荷間相互作用規(guī)律來判斷。(3)庫侖力是力的一種，在對物體進行受力分析時不要遺漏。,【課堂小結】,