高一物理電荷及其守恒定律--庫侖定律

1、高一物理電荷及其守恒定律、庫侖定律【本講教育信息】一.教學(xué)內(nèi)容：電荷及其守恒定律 庫侖定律 知識要點(diǎn)：1 .知道各種起電的方法及實(shí)質(zhì)2 .掌握電荷守恒定律的內(nèi)容3 .知道點(diǎn)電荷的概念和靜電力常數(shù)4 .知道庫侖定律，理解它的含義及其表達(dá)式重點(diǎn)、難點(diǎn)解析一、電荷及其守恒定律1 .物體帶電的實(shí)質(zhì)(1)物質(zhì)是由原子組成的，而原子又是由原子核和核外電子構(gòu)成的，電子帶負(fù)電，原 子核帶正電。整個(gè)原子一般表現(xiàn)為電中性。(2)物體失去電子則帶正電，物體得到電子則帶負(fù)電，物體帶電的實(shí)質(zhì)就是電子的得 失。2 .物體帶電的三種方式：即摩擦起電、感應(yīng)起電和接觸帶電。(1)摩擦起電是由于相互摩擦的物體間的電子的得失而使物

2、體分別帶上等量異種電荷， 玻璃棒與絲綢摩擦?xí)r，由于玻璃棒容易失去電子而帶正電，硬橡膠棒與毛皮摩擦?xí)r，由于硬橡膠棒容易得到電子而帶負(fù)電。(2)感應(yīng)起電是指利用靜電感應(yīng)使物體帶電的方式，例：如圖所示，將導(dǎo)體 A、B接 觸后去靠近帶電體 C,由于靜電感應(yīng)，A、B上的自由電子受到帶電體 C的吸引而聚集到 A 端，使A端帶負(fù)電，B端由于失去電子而帶正電。這時(shí)先把 A、B分開，然后移去 C,則A 和B兩導(dǎo)體上就分別帶上了等量異種電荷，如圖所示。(3)接觸帶電比較簡單，指一個(gè)不帶電的金屬導(dǎo)體跟另一個(gè)帶電的金屬導(dǎo)體接觸后分開，而使不帶電的導(dǎo)體帶上電荷的方式。電荷的中和：正負(fù)電荷放在一起會相互抵消，等量的異種電

3、荷完全抵消的情況，叫正負(fù)電荷的中和。電荷的分配：接觸起電時(shí)，兩個(gè)物體最終的電荷的分配很復(fù)雜，大多靠實(shí)驗(yàn)才能確定，但有一種情況能確定電荷的分配，即兩個(gè)完全相同.的導(dǎo)體球相互接觸后的情況。若為帶電導(dǎo)體球和不帶電導(dǎo)體球接觸，則電荷平分若兩個(gè)帶電導(dǎo)體球?yàn)橥N電荷，則總電荷平分若兩個(gè)帶電導(dǎo)體球?yàn)楫惙N電荷，則先中和再平分從物體帶電的各種方式不難看出，它們都不是創(chuàng)造了電荷， 只是電荷從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到了另一個(gè)物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到了物體的另一部分。3 .電荷守恒定律電荷守恒定律的原始表述為：電荷既不能創(chuàng)造，也不能消滅，只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分；在轉(zhuǎn)移過程中，電荷

4、的總量保持不變。隨著物理學(xué)的發(fā)展。 近代物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 在一定的條件下電荷是可以產(chǎn)生和湮沒的，但產(chǎn)生與湮沒總是成對發(fā)生的，電荷的代數(shù)和仍然不變，故電荷守恒定律的表述經(jīng)修正后為： 一個(gè)與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)，電荷的代數(shù)和是保持不變的。注意：近代物理實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的電荷的產(chǎn)生與湮沒并沒有否定電荷守恒定律，只是對定律 的內(nèi)容作了修正。例1.如圖所示，有一帶正電的驗(yàn)電器，當(dāng)一金屬球A靠近驗(yàn)電器的小球 B （不接觸） 時(shí)，驗(yàn)電器的金箔張角減小，則A.金屬球可能不帶電C.金屬球可能帶正電解析：驗(yàn)電器的金箔之所以張開，是因?yàn)樗鼈兌紟в姓姾?，而同種電荷相互排斥，張開角度的大小決定于兩金箔帶電荷的多少，如果A球

5、帶負(fù)電，靠近驗(yàn)電器的 B球時(shí)，異種電荷相互吸引，使金箔上的正電荷逐漸“上移”（實(shí)質(zhì)上是金屬導(dǎo)體內(nèi)的自由電子下移與金箔上的正電荷中和，使金箔帶的正電減?。瑥亩箖山鸩瓓A角減少，選項(xiàng) B正確，同時(shí)否定選項(xiàng)C,如果A球不帶電，在靠近 B球時(shí)，發(fā)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象使 A球發(fā)生極性分布， 靠近B球的端面出現(xiàn)負(fù)的感應(yīng)電荷，而背向B球的端面出現(xiàn)正的感應(yīng)電荷，A球上的感應(yīng)電荷與驗(yàn)電器上的正電荷發(fā)生相互作用，因距離的不同而表現(xiàn)為吸引作用，從而使金箔張角減小，選項(xiàng) A正確，同時(shí)否定選項(xiàng) D。答案：AB小結(jié)：本題主要考查了電荷間的相互作用規(guī)律和靜電感應(yīng)現(xiàn)象，在解決這類問題時(shí)根據(jù)電荷間相互作用規(guī)律和靜電感應(yīng)現(xiàn)象， 判斷

6、電荷的重新分布情況， 進(jìn)而判斷驗(yàn)電器金箔張角 大小等問題。同學(xué)們再思考：當(dāng)某帶電導(dǎo)體靠近不帶電的驗(yàn)電器的金屬小球時(shí)，兩金箔張角將如何變化？例2.將一根用絲綢摩擦過的玻璃棒靠近一個(gè)小通草球時(shí)A.如果小球被吸引，小球必帶負(fù)電B.如果小球被吸引，小球必帶正電C.如果小球被排斥，小球必帶負(fù)電D.如果小球被排斥，小球必帶正電解析：絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電，可以吸引帶負(fù)電或不帶電的小球，但必定排斥帶 正電的小球。所以應(yīng)選答案D答案：D小結(jié)：本題主要考查以下幾點(diǎn)：（1）絲綢摩擦玻璃棒的帶電情況；（2）帶電體既可吸引異種電荷，也能吸引輕小物體。例3.有兩個(gè)完全相同的帶電絕緣金屬小球A、B,分別帶有電荷量 Qa

7、 = 6.4X 10-9C。Qb=一 3.2X10-9C,讓兩絕緣金屬小球接觸，在接觸過程中，電子如何轉(zhuǎn)移并轉(zhuǎn)移了多少？解析：當(dāng)兩小球接觸時(shí)，帶電荷量少的負(fù)電荷先被中和，剩余的正電荷再重新分配，由于兩小球相同，剩余正電荷必均分，即接觸后兩小球帶電荷量。圓-+ Q/2 - 6-4X132X104> C - 1.6X在接觸過程中，電子由 B球轉(zhuǎn)移到A球，不僅將自身電荷中和，且繼續(xù)轉(zhuǎn)移。使 B球 帶Qb，的正電，這樣，共轉(zhuǎn)移的電子電荷量為9轉(zhuǎn)移的電子數(shù)n 4.83,0 1010（個(gè)）e 1.6 10 19答案：電子由B球轉(zhuǎn)移到A球，轉(zhuǎn)移了 3.0 1010電子。小結(jié)：本題考查了電荷守恒定律，元

8、電荷概念，涉及正負(fù)電荷中和，電荷重新分布, 電子轉(zhuǎn)移數(shù)量等問題。二、庫侖定律1.庫侖定律：在真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷間相互作用的靜電力跟它們的電荷量的乘積成正 比，跟它們間的距離的平方成反比，作用力的方向在它們的連線上。庫侖力的大小：F KQQ2r庫侖力的方向：在兩點(diǎn)電荷連線上，同種電荷相斥，異種電荷相吸。庫侖定律的適用范圍：真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷。注意：兩個(gè)電荷間的距離趨于零時(shí)，兩個(gè)電荷就不能視為點(diǎn)電荷，它們之間的作用力也就不遵守庫侖定律了，因此它們之間的庫侖力不能認(rèn)為趨于無窮大。2,靜電力常量K:常量K是一個(gè)重要的物理常數(shù)，庫侖定律公式中各個(gè)物理量的單位都 用國際制單位，公式中的比例恒量一一 K

9、的單位也就確定了， 它的數(shù)值由實(shí)驗(yàn)得出， 通常計(jì) 算時(shí)?。篕=9,0X 109N . m/C23,靜電力：同樣具有力的共性，例如，兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷之間的相互作用力遵守牛頓第 三定律一一大小相等、 方向相反，并且在一條直線上； 又如一點(diǎn)電荷同時(shí)受到另外兩個(gè)點(diǎn)電 荷的作用力，這兩個(gè)力遵循力的合成法則，根據(jù)平行四邊形定則， 可求出這個(gè)點(diǎn)電荷受到的合力。如圖所示。十%4,點(diǎn)電荷是理想模型當(dāng)帶電體之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自身的大小時(shí)，帶電體的形狀、大小及電荷分布狀況對相互作用力的影響可以忽略不計(jì)，就可以把這個(gè)帶電體看作一個(gè)帶電的幾何點(diǎn)，即看成點(diǎn)電荷。物理學(xué)中，抓住問題的要害及關(guān)鍵，將研究對象或物理變化過程模型

10、化，?？梢允箚栴}的處理變得簡單可行，又使處理結(jié)果基本符合客觀實(shí)際，因而理想化模型既是客觀存在的抽象，又是重要的思維方法和處理方法，處理物理問題時(shí)，首先選擇研究對象或物理過程，建 立必要的物理模型，常是首要的任務(wù)。5 .庫侖定律的應(yīng)用應(yīng)用庫侖定律解題時(shí)，首先應(yīng)注意庫侖定律的適用條件。公式f Kqq2僅適用于真r空中的兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷間的相互作用。其次應(yīng)注意將計(jì)算庫侖力的大小與判斷庫侖力的方向二者分別進(jìn)行，即應(yīng)用公式計(jì)算庫侖力大小時(shí)，不必將表示電荷qi、q2的帶電性質(zhì)的符號代入公式中，只將其電量絕對值代入公式中，從而計(jì)算出力的大??； 庫侖力的方向再依據(jù)同性電荷相互排斥、異性電荷相互吸引加以判別，這樣

11、分別加以處理的方法，可以避免將表示 帶電性質(zhì)的符號代入公式中一起運(yùn)算，從而帶來的運(yùn)算結(jié)果是正、負(fù)號再判定的麻煩。 第三應(yīng)注意統(tǒng)一單位，因?yàn)殪o電力常量 K= 9X 109n m2/C2是在SI中的數(shù)值。第四運(yùn)算中常將 有效數(shù)字與數(shù)量級分別加以運(yùn)算，以避免顧此失彼的失誤。6 .微觀帶電粒子之間的庫侖力與萬有引力的比較。F#“質(zhì)子與電子之間 2.3 1039即：微觀粒子之間的萬有引力遠(yuǎn)小于庫侖力，研究微觀粒子間的相互作用時(shí)，可以忽略萬有引力。例1.真空中有兩個(gè)點(diǎn)電荷 Qi和Q2,相距18cm,已知Qi是正電荷，其電荷量為1.8X10-12C, 它們之間的引力大小為 F=1.0Xl0-12N,求Q2的

12、電荷量及帶電性質(zhì)。解析：由于真空中的兩個(gè)點(diǎn)電荷，符合運(yùn)用庫侖定律解題的條件根據(jù)庫侖定律F K q快得r至.小二臂劍1。七KQ1 9<L0F, 8Mo因?yàn)殡姾蒕1和Q2間表現(xiàn)為引力，可見 Q2是負(fù)電荷小結(jié)：(1)利用庫侖定律進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不但可以求電荷間的相互作用力，還可以根據(jù)相互作用力的性質(zhì)，判斷電荷的電性。(2)在利用庫侖定律進(jìn)行計(jì)算時(shí)，電荷量應(yīng)代入絕對值計(jì)算，再根據(jù)其電性判斷相互 作用力的方向。例2.兩個(gè)半徑均為 R的金屬球，分別帶電 q和一3q,當(dāng)球心相距r= 3R放置時(shí)，兩球的 相互作用力為F,若將兩球接觸后放回原來的位置，則兩球之間的相互作用力大小為A. FB.等于1 FC.大于

13、-FD.小于1 F333解析：在電場力的作用下，金屬球上的電荷分布不均勻，電荷中心不位于球心，在相互接觸前，異種電荷相互吸引，電荷中心距離1小于3R,在接觸后，同種電荷相互排斥，電荷中心的距離2大于3R,如圖所示，根據(jù)庫侖定律有3q2F1 K”, F21K ,則兩靜電2小結(jié)：應(yīng)用電荷守恒定律時(shí)， 應(yīng)明確完全相同的兩金屬球接觸后將平均分配電荷. 運(yùn)用 庫侖定律解題時(shí)，應(yīng)首先明確帶電體是否可看做電荷量集中于球心的點(diǎn)電荷， 然后分析帶電 情況，再根據(jù)庫侖定律進(jìn)行有關(guān)判斷。例3.如圖所示，帶電荷量分別為 +q和+4q的兩個(gè)點(diǎn)電荷 A、B ,相距L,求在何處放一 個(gè)什么性質(zhì)的電荷，才可以使三個(gè)電荷都處于

14、平衡狀態(tài)？q4Q1 L B解析：A、B兩點(diǎn)電荷同性排斥，相互作用的靜電力均沿 AB連線向外，若能平衡，第 三個(gè)點(diǎn)電荷C對A、B的作用力方向必沿 A、B連線向內(nèi)，故 C必與A帶異性電荷，且在 A、B連線上。設(shè)C帶電荷量為-Q,距A為x,則距B為L x,對A、C列平衡方程：A:坐 KqQ L xK4Qq< qQB ：2 K 2(L x) xL4聯(lián)立斛得：x一,Q q39即帶電荷量為 9q的電荷C置于距A點(diǎn)L處，系統(tǒng)可平衡。93小結(jié)：本題涉及靜電力和靜力學(xué)問題，只要明確靜電力特點(diǎn)，運(yùn)用共點(diǎn)力平衡條件即 可解決，通過本題分析可知，若要三個(gè)電荷都處于平衡，放置電荷的條件是：“兩大夾小，兩同夾異”。

15、例4.兩個(gè)大小相同的小球帶有同種電荷，質(zhì)量分別為mi和m2,帶電量分別為 Qi和Q2,用細(xì)絕緣線懸掛后，因靜電力而使兩懸線張開，分別與豎直線方向成夾角1和2,且兩球同處在一水平線上，如圖所示，若 1=2,則下述結(jié)論正確的是5 / 10A. q i 一定等于q2B. 一定?t足 q1/m1 q2/m2C. mi 一定等于m2D.必須同時(shí)滿足qi = q2, mi = m2解析：因?yàn)樾∏蛩幍臓顟B(tài)是靜止，所以用平衡條件去分析。小球mi受到三個(gè)力 F、Fi、mig作用，如圖所示，以水平和豎直方向建立坐標(biāo)，由平 衡條件得FiFsin i 0F cos i mig 0所以tan i mig同理，對m2分

16、析得Fq022 migrtan 2F2m2 gFqQ2 m2gr因?yàn)?=2,所以tan i tan 2故mi=m2,可見，只要 mi=m2,不管qi、q2如何，i都等于 2,故選C答案：C小結(jié)：本題涉及力的平衡問題，要利用共點(diǎn)力平衡條件來求解.可以采用正交分解法，也可以先求出F、mig的合力，m1g tan 再與靜電力平衡求解，即migtan =F2【模擬試題】1 .下面關(guān)于電現(xiàn)象的敘述，正確的是（）A.玻璃棒無論與什么物體摩擦都帶正電，橡膠棒無論與什么物體摩擦都帶負(fù)電B.摩擦可以起電，是普遍存在的現(xiàn)象，相互摩擦的兩個(gè)物體總是同時(shí)帶等量的異種電荷C.帶電現(xiàn)象的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，呈電中性的物體得

17、到電子就一定顯負(fù)電性，失去電 子就一定顯正電性D.摩擦起電的過程，是通過摩擦創(chuàng)造了等量異種電荷的過程2 .關(guān)于元電荷的理解，下列說法正確的是（）A.兀電荷就是電子B.元電荷是表示跟電子所帶電荷量數(shù)值相等的電荷量C.元電荷就是質(zhì)子D.物體所帶的電荷量只能是元電荷的整數(shù)倍3 .如圖所示，原來不帶電的絕緣金屬導(dǎo)體MN ,在其兩端下面都懸掛著金屬驗(yàn)電箔，若使帶負(fù)電的絕緣金屬球 A靠近導(dǎo)體的M端，可能看到的現(xiàn)象是（）A.只有M端驗(yàn)電箔張開，且 M端帶正電B.只有N端驗(yàn)電箔張開，且 N端帶負(fù)電C.兩端的驗(yàn)電箔都張開，且左端帶負(fù)電，右端帶正電 D.兩端的驗(yàn)電箔都張開，且左端帶正電，右端帶負(fù)電10 / 10由

18、于電荷的相互作用而靠近，如圖甲所示；或遠(yuǎn)離,4 .掛在絕緣細(xì)線下的兩輕質(zhì)通草球, 如圖乙所示，則（）A.甲圖中兩球一定帶異種電荷 B.乙圖中兩球一定帶同種電荷 C.甲圖中兩球至少有一個(gè)帶電 D.乙圖中兩球至少有一個(gè)帶電a的表面鍍有鋁膜，在 a的近旁有一絕緣b帶電，則 （）5 .絕緣細(xì)線上端固定，下端懸掛一輕質(zhì)小球a,金屬球b,開始時(shí)a、b都不帶電，如圖所示，現(xiàn)使A. ab之間不發(fā)生相互作用B. b將吸引a,吸住后不放開C. b立即把a(bǔ)排斥開D. b先吸引a,接觸后又把a(bǔ)排斥開6 .關(guān)于庫侖定律的理解，下面說法正確的是（）A.對任何點(diǎn)電荷之間的靜電力計(jì)算，都可以使用公式B.只要是點(diǎn)電荷之間的靜電

19、力計(jì)算，就可以使用公式C.兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的靜電力，無論是在真空中還是在介質(zhì)中，一定是大小相等、方向 相反D.摩擦過的橡膠棒吸引碎紙屑，說明碎紙屑一定帶正電7 .對點(diǎn)電荷的理解，你認(rèn)為正確的是（）A.體積很大的帶電體都不能看作點(diǎn)電荷8 .只有體積很小的帶電體才能看作點(diǎn)電荷C.只要是均勻的球形帶電體，不管球的大小，都能被看作點(diǎn)電荷D.當(dāng)兩個(gè)帶電體的形狀對它們的相互作用力的影響可忽略時(shí)，這兩個(gè)帶電體都能看作 點(diǎn)電荷8 .兩點(diǎn)電荷相距為d,相互作用力為F;保持兩點(diǎn)電荷電荷量不變，改變它們之間的距離，使之相互作用力的大小變?yōu)?F,則兩電荷之間的距離應(yīng)變?yōu)椋ǎ〢. 4d B. 2dC. d/2D. d/4

20、9 .兩個(gè)帶電金屬球，當(dāng)它們帶同種電荷時(shí)，它們之間的作用力的大小為Fi；當(dāng)它們帶異種電荷時(shí)，電荷量與前相同，距離與前相同，它們之間的作用力大小為幾，則（）A. Fi=F2B. Fi<F2C. Fi>F2 D.不能確定10 .帶電荷量分別為 4q和一6q的兩個(gè)相同的金屬小球保持一定的距離（比小球的直徑大 得多），相互作用的靜電力為 F；若將它們接觸后分開，并再放回原處。它們的相互作用力 為 （）A. 24F B. 25F C. F/24D. 25F/2411 .如圖所示，兩個(gè)互相接觸的導(dǎo)體 A和B,靠近帶正電的導(dǎo)體球 C放置，三者均有絕緣 支架，若先將 C移走，再把A、B分開，則A 電，B 電，若先將A、B分開，再移走 C,則A 電，B 電。