新教材高中物理第九章靜電場(chǎng)及其應(yīng)用2庫(kù)侖定律課件新人教必修第三冊(cè)

1、2.庫(kù)侖定律第九章2022內(nèi)容索引0102課前篇 自主預(yù)習(xí)課堂篇 探究學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道點(diǎn)電荷的定義,以及帶電體可以簡(jiǎn)化成點(diǎn)電荷的條件,體會(huì)物理模型在自然規(guī)律中的作用。(科學(xué)思維)2.理解庫(kù)侖定律的內(nèi)容、公式,會(huì)用庫(kù)侖定律進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。(科學(xué)思維)3.了解庫(kù)侖扭秤,領(lǐng)會(huì)研究電荷間相互作用的物理思想方法。(科學(xué)探究)4.通過(guò)庫(kù)侖定律與萬(wàn)有引力定律比照,體會(huì)物理學(xué)和諧統(tǒng)一之美,提高探索自然的興趣。(科學(xué)態(tài)度與責(zé)任)思維導(dǎo)圖課前篇 自主預(yù)習(xí)【必備知識(shí)】一、電荷之間的作用力想一想如以下圖,一帶正電的物體位于M處,用絕緣絲線(xiàn)系上帶正電的相同的小球,分別掛在P1、P2、P3的位置,當(dāng)小球靜止時(shí)發(fā)現(xiàn)絲線(xiàn)

2、與豎直方向的夾角123,由此猜測(cè)是什么因素影響電荷間的作用力。提示 對(duì)小球受力分析如以下圖由平衡條件得FNsin =F斥FNcos =mg聯(lián)立得F斥=mgtan 由知,離M越近越大,F斥越大,電荷間作用力與電荷間距離有關(guān)。1.電荷之間的作用力隨著電荷量的增大而增大,隨著距離的增大而減小。2.庫(kù)侖定律(1)內(nèi)容:真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力,與它們的電荷量的乘積成正比,與它們的距離的二次方成反比,作用力的方向在它們的連線(xiàn)上。(2)公式: ,其中k=9.0109Nm2/C2 ,叫作靜電力常量。(3)庫(kù)侖定律的適用條件:在真空中;靜止的點(diǎn)電荷。(4)實(shí)際帶電體看成點(diǎn)電荷的條件是:當(dāng)帶電體的形

3、狀、大小及電荷分布狀況對(duì)作用力的影響可以忽略時(shí),帶電體可以看作點(diǎn)電荷。二、庫(kù)侖的實(shí)驗(yàn)1.庫(kù)侖利用扭秤實(shí)驗(yàn)研究電荷間的相互作用,該裝置通過(guò)懸絲扭轉(zhuǎn)的角度來(lái)比較力的大小。2.庫(kù)侖時(shí)代無(wú)法測(cè)量物體所帶的電荷量,庫(kù)侖利用“兩個(gè)相同金屬小球接觸后所帶的電荷量相等解決了無(wú)法測(cè)量電荷量的問(wèn)題。三、靜電力計(jì)算1.微觀粒子間的萬(wàn)有引力遠(yuǎn)小于庫(kù)侖力。2.兩個(gè)或兩個(gè)以上點(diǎn)電荷對(duì)某一個(gè)點(diǎn)電荷的作用力,等于各點(diǎn)電荷單獨(dú)對(duì)這個(gè)點(diǎn)電荷的作用力的矢量和?！咀晕覚z測(cè)】1.正誤判斷,判斷結(jié)果為錯(cuò)誤的小題說(shuō)明原因。(1)點(diǎn)電荷就是體積和電荷量都很小的帶電體。()答案 解析 一個(gè)帶電體能否看成點(diǎn)電荷,不是看它的尺寸大小,而是看它的形

4、狀和大小對(duì)所研究的問(wèn)題的影響是否可以忽略不計(jì)。(2)點(diǎn)電荷是一種理想模型,真正的點(diǎn)電荷是不存在的。()答案 (3)假設(shè)點(diǎn)電荷q1的電荷量大于q2的電荷量,那么q1對(duì)q2的靜電力大于q2對(duì)q1的靜電力。()答案 解析 兩電荷間的作用力遵從牛頓第三定律,所以q1對(duì)q2的靜電力與q2對(duì)q1的靜電力大小相等。(4)點(diǎn)電荷就是元電荷。()答案 解析 點(diǎn)電荷是忽略帶電體的形狀和大小,將帶電體看成一個(gè)點(diǎn),而元電荷是電荷量的最小數(shù)值,所有帶電體所帶的電荷量都是元電荷的整數(shù)倍。(5)靜電力常量k=9.0109 Nm2/C2。()答案 2.(2021湖北隨州二中月考)兩個(gè)半徑為R的帶電金屬球所帶電荷量分別為q1和

5、q2,當(dāng)兩球心相距3R時(shí),相互作用的靜電力大小為()答案 D解析 因?yàn)閮汕蛐牡木嚯x不比球的半徑大得多,所以?xún)蓭щ娊饘偾虿荒芸醋鼽c(diǎn)電荷,必須考慮電荷在球面上的實(shí)際分布。當(dāng)q1、q2是異種電荷時(shí),相互吸引,電荷分布于較近的兩側(cè),電荷中心距離小于3R,故靜電力大于當(dāng)q1、q2是同種電荷時(shí),相互排斥,電荷分布于較遠(yuǎn)的兩側(cè),電荷中心距離大于3R,靜電力小于 ,故D正確。課堂篇 探究學(xué)習(xí)探究一對(duì)“點(diǎn)電荷”的理解【情境導(dǎo)引】某次物理課上,甲、乙兩位同學(xué)探討點(diǎn)電荷的對(duì)話(huà)如下:甲:“由于帶電體A的體積很小,故它一定是點(diǎn)電荷。乙:“由于帶電體B的帶電荷量很小,故它一定是點(diǎn)電荷。(1)甲、乙兩位同學(xué)的觀點(diǎn),你認(rèn)為誰(shuí)

6、的正確?為什么?(2)什么是點(diǎn)電荷?現(xiàn)實(shí)中有點(diǎn)電荷嗎?要點(diǎn)提示 (1)甲、乙同學(xué)的觀點(diǎn)都不正確,一個(gè)帶電體能否看作點(diǎn)電荷,不能只看它的體積大小,也不能只看它的帶電荷量多少。(2)點(diǎn)電荷是一種理想模型,它是不計(jì)大小的帶電體,現(xiàn)實(shí)中顯然不存在。【知識(shí)歸納】1.特點(diǎn):點(diǎn)電荷是只有電荷量,沒(méi)有大小、形狀的理想化模型,類(lèi)似于力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn),實(shí)際上并不存在。2.條件:帶電體能否看成點(diǎn)電荷視具體問(wèn)題而定,不能單憑它的大小和形狀下結(jié)論。如果帶電體的大小比帶電體間的距離小得多,那么帶電體的大小及形狀就可以忽略,此時(shí)帶電體就可以看成點(diǎn)電荷。要點(diǎn)筆記 如果帶電體間的距離比它們自身的大小大得多,就可以忽略形狀、大小等次

7、要因素,只保存對(duì)問(wèn)題有關(guān)鍵作用的電荷量這一主要因素,這樣處理會(huì)使問(wèn)題大為簡(jiǎn)化,對(duì)結(jié)果又沒(méi)有太大的影響,這是物理學(xué)上經(jīng)常用到的方法?！镜淅痉丁坷? 以下關(guān)于點(diǎn)電荷的說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()A.任何帶電球體,都可看成電荷全部集中于球心的點(diǎn)電荷C.當(dāng)兩個(gè)帶電體的大小遠(yuǎn)小于它們之間的距離時(shí),可將這兩個(gè)帶電體看成點(diǎn)電荷答案 C解析 能否把一個(gè)帶電體看作點(diǎn)電荷,不能以它的大小而論,應(yīng)該根據(jù)具體情況而定,假設(shè)它的大小和形狀以及電荷分布狀況可不予考慮,就可以將其看成點(diǎn)電荷。應(yīng)選項(xiàng)A、B、D錯(cuò)誤,選項(xiàng)C正確。變式訓(xùn)練1(多項(xiàng)選擇)關(guān)于點(diǎn)電荷,以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()答案 BC解析 點(diǎn)電荷是一種物理模型,實(shí)際中并不

8、存在,選項(xiàng)B正確;一個(gè)帶電體能否看成點(diǎn)電荷,不是看它是否很小,而是看它的大小和形狀以及電荷分布狀況對(duì)所研究的問(wèn)題的影響是否可以忽略不計(jì),假設(shè)可以忽略不計(jì),那么它就可以看作點(diǎn)電荷,否那么就不能看作點(diǎn)電荷,選項(xiàng)A、D錯(cuò)誤;所有帶電體的電荷量都是元電荷的整數(shù)倍,選項(xiàng)C正確。探究二庫(kù)侖定律的理解和應(yīng)用【情境導(dǎo)引】原子結(jié)構(gòu)模型示意圖如以下圖。該模型中,電子繞原子核做勻速圓周運(yùn)動(dòng),就像地球的衛(wèi)星一樣。觀察圖片,思考:電子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力是由原子核對(duì)電子的萬(wàn)有引力提供的嗎?要點(diǎn)提示 原子核對(duì)電子的庫(kù)侖力提供了向心力,兩者間的萬(wàn)有引力要比庫(kù)侖力小得多,完全可以忽略不計(jì)?！局R(shí)歸納】(1)大小:利用庫(kù)

9、侖定律計(jì)算靜電力時(shí)不必將表示電性的正、負(fù)號(hào)代入公式,只代入q1和q2的絕對(duì)值即可。(2)方向:利用同種電荷相互排斥、異種電荷相互吸引來(lái)判斷。不管電荷量大小如何,兩點(diǎn)電荷間的庫(kù)侖力大小總是相等的。(1)庫(kù)侖定律只適用于能看成點(diǎn)電荷的帶電體之間的相互作用。(2)兩個(gè)形狀規(guī)那么的均勻球體相距較遠(yuǎn)時(shí)可以看作點(diǎn)電荷;相距較近時(shí)不能看作點(diǎn)電荷,此時(shí)球體間的作用力會(huì)隨著電荷的分布而變化?！镜淅痉丁坷?有兩個(gè)完全相同的帶電絕緣金屬球A、B,分別帶有電荷量QA=810-9 C,QB=-3.210-9 C。問(wèn):(1)讓兩絕緣金屬球接觸后,A、B所帶電荷量各是多少?此過(guò)程中電荷發(fā)生了怎樣的轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移了多少?(2)

10、A、B兩球接觸前固定好,讓第三個(gè)與它們相同的不帶電小球C反復(fù)與A、B接觸,最終A、B兩球的電荷量和電性如何?答案 (1)均為2.410-9 C電子由B球轉(zhuǎn)移到了A球,轉(zhuǎn)移的電荷量為5.610-9 C(2)均為1.610-9 C均帶正電解析 (1)兩金屬球接觸時(shí),電荷量少的負(fù)電荷先被中和,剩余的正電荷再重新分配,即接觸后兩小球的電荷量在接觸過(guò)程中,電子由B球轉(zhuǎn)移到A球,自身的“凈電荷全部中和后,繼續(xù)轉(zhuǎn)移,直至其帶QB的正電荷,這樣,共轉(zhuǎn)移的電子電荷量為Q=QB-QB=2.410-9 C-(-3.210-9 C)=5.610-9 C。(2)由于三球完全相同,反復(fù)接觸后三球最終電荷量相同,均分中和后

11、的電荷量,故A、B均帶正電,電荷量為規(guī)律方法 接觸起電時(shí)電荷量的分配規(guī)律1.導(dǎo)體接觸起電時(shí)電荷量的分配與導(dǎo)體的形狀、大小有關(guān)。2.當(dāng)兩個(gè)完全相同的金屬球接觸后,電荷量將平均分配。(1)假設(shè)兩個(gè)球原先帶同種電荷,那么電荷量相加后均分;(2)假設(shè)兩個(gè)球原先帶異種電荷,那么電荷量先中和再均分。例3(多項(xiàng)選擇)兩個(gè)用相同材料制成的半徑相等的帶電金屬小球,相距很遠(yuǎn)放置,其中一個(gè)球帶的電荷量是另一個(gè)的5倍,它們之間的庫(kù)侖力大小是F?，F(xiàn)將兩球接觸后再放回原處,它們之間的庫(kù)侖力大小可能為()答案 BD 規(guī)律方法 對(duì)于庫(kù)侖定律和電荷守恒定律綜合應(yīng)用的問(wèn)題,有時(shí)需要考慮兩電荷之間的作用力是引力還是斥力,或者說(shuō)要考

12、慮兩電荷是同號(hào)還是異號(hào)。變式訓(xùn)練2有三個(gè)完全相同的金屬小球A、B、C,A所帶電荷量為+7Q,B所帶電荷量為-Q,C不帶電。將A、B固定起來(lái),然后讓C反復(fù)與A、B接觸,最后移去C,A、B間的相互作用力變?yōu)樵瓉?lái)的()答案 C 探究三靜電力的疊加【情境導(dǎo)引】如以下圖,真空中有三個(gè)點(diǎn)電荷A、B、C,它們固定在邊長(zhǎng)為a的等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上,電荷量都是Q,那么電荷C所受的靜電力方向向哪?要點(diǎn)提示 以C為研究對(duì)象,共受到F1和F2的作用,相互間的距離都相同。故F1=F2。根據(jù)平行四邊形定那么,合靜電力的方向沿A與B連線(xiàn)的垂直平分線(xiàn)斜向下。【知識(shí)歸納】1.真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷間相互作用力的大小只跟這兩個(gè)點(diǎn)

13、電荷的電荷量及間距有關(guān),跟它們的周?chē)欠翊嬖谄渌姾蔁o(wú)關(guān)。2.假設(shè)空間存在多個(gè)點(diǎn)電荷,某點(diǎn)電荷受到的作用力等于其他點(diǎn)電荷單獨(dú)對(duì)這個(gè)點(diǎn)電荷的作用力的矢量和。要點(diǎn)筆記 靜電力是一種性質(zhì)力,遵守力的所有規(guī)律?！镜淅痉丁坷?如以下圖,在A、B兩點(diǎn)分別放置點(diǎn)電荷Q1=+210-14 C和Q2=-210-14 C,在AB的垂直平分線(xiàn)上有一點(diǎn)C,且AB=AC=BC=610-2 m。如果有一個(gè)電子在C點(diǎn),它所受到的靜電力的大小和方向如何?答案 8.010-21 N,方向平行于AB向左 解析 電子在C點(diǎn)同時(shí)受A、B點(diǎn)的兩點(diǎn)電荷對(duì)它的靜電力FA、FB作用,如以下圖,由庫(kù)侖定律得 =8.010-21 N。由平行四

14、邊形定那么和幾何知識(shí)得:在C點(diǎn)的電子受到的靜電力F=FA=FB=8.010-21 N,方向平行于AB向左。規(guī)律方法 當(dāng)多個(gè)帶電體同時(shí)存在時(shí),每?jī)蓚€(gè)帶電體間的靜電力都遵守庫(kù)侖定律。某一帶電體同時(shí)受到多個(gè)靜電力作用時(shí)可利用力的平行四邊形定那么求出其合力。這就是靜電力的疊加原理。變式訓(xùn)練3如以下圖,等邊三角形ABC,邊長(zhǎng)為L(zhǎng),在頂點(diǎn)A、B處有等量同種正點(diǎn)電荷QA、QB,QA=QB=Q,求在頂點(diǎn)C處的正點(diǎn)電荷QC(QC)所受的靜電力大小。解析 正點(diǎn)電荷QC在C點(diǎn)的受力情況如以下圖,QA、QB對(duì)QC的作用力大小和方向都不因其他電荷的存在而改變,仍然遵守庫(kù)侖定律。拓展探究非點(diǎn)電荷間的靜電力求法【典例示范】

15、例5如以下圖,一個(gè)半徑為R的絕緣圓環(huán)均勻帶電,ab為一極小的缺口,缺口長(zhǎng)為L(zhǎng)(LR),圓環(huán)的帶電荷量為Q(正電荷),在圓心O處放置一帶電荷量為q的負(fù)點(diǎn)電荷,試求負(fù)點(diǎn)電荷受到的庫(kù)侖力的大小和方向。規(guī)律方法 對(duì)于不能視為點(diǎn)電荷的問(wèn)題,可利用對(duì)稱(chēng)性、割補(bǔ)法等,化非點(diǎn)電荷為點(diǎn)電荷,這樣可使難點(diǎn)得以突破,公式得以運(yùn)用,問(wèn)題可迎刃而解。變式訓(xùn)練4 如以下圖,半徑為R的絕緣球殼上均勻帶有電荷量為+Q的電荷,另一電荷量為+q的點(diǎn)電荷放在球心處,由于對(duì)稱(chēng)性,點(diǎn)電荷受力為零。現(xiàn)在球殼上挖去半徑為r(rR)的一個(gè)小圓孔,那么此時(shí)置于球心的點(diǎn)電荷所受靜電力的大小為多少?方向如何?(靜電力常量為k)解析 解法一由于球殼

16、上均勻帶電,原來(lái)每條直徑兩端相等的一小塊面積上的電荷對(duì)球心處點(diǎn)電荷的靜電力相互平衡。當(dāng)在球殼上挖去半徑為r的小圓孔后,因?yàn)槭墙^緣球殼,其余局部的電荷分布不改變,所以其他直徑兩端的電荷對(duì)球心處點(diǎn)電荷的作用力仍相互平衡,剩下的就是與小圓孔相對(duì)的半徑也為r的一小塊圓面上的電荷對(duì)它的作用力。又rR,所以這一帶電小圓面可看成點(diǎn)電荷,庫(kù)侖定律適用。小塊圓面上的電荷量為解法二根據(jù)中和的特點(diǎn)可知,挖去的小圓孔相當(dāng)于在此處加上了等量的異種電荷,因?yàn)橥暾驓?duì)球心處的點(diǎn)電荷的靜電力為零,那么被挖去小圓孔后的球殼對(duì)球心處點(diǎn)電荷的靜電力等于在小圓孔處補(bǔ)上的等量異種電荷探究四靜電力作用下的平衡問(wèn)題【情境導(dǎo)引】如以下圖,

17、A、B、C三個(gè)帶電小球靜止在光滑水平面上,A球帶正電,B球帶負(fù)電,試判斷C球帶何種電荷。要點(diǎn)提示 C球帶正電?！局R(shí)歸納】處理點(diǎn)電荷的平衡問(wèn)題及動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的關(guān)鍵三步(1)確定研究對(duì)象。如果有幾個(gè)物體相互作用時(shí),要依據(jù)題意,適中選取“整體法或“隔離法。(2)對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行受力分析,相比之前多了庫(kù)侖力 。 僅是多了庫(kù)侖力呀(3)列平衡方程(F合=0或Fx=0,Fy=0)?！镜淅痉丁坷? 如以下圖,質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電小球A用絕緣細(xì)線(xiàn)懸掛于O點(diǎn),帶有電荷量也為q的小球B固定在O點(diǎn)正下方絕緣柱上。絕緣細(xì)線(xiàn)長(zhǎng)為l,O點(diǎn)與小球B的間距為 l,當(dāng)小球A平衡時(shí),懸線(xiàn)與豎直方向夾角=30。帶電小球A、B

18、均可視為點(diǎn)電荷,靜電力常量為k。那么()答案 B 變式訓(xùn)練5如以下圖,把一帶正電的小球a放在光滑絕緣斜面上,欲使小球a能靜止在斜面上,可在MN間放一帶電小球b,那么b可()A.帶負(fù)電,放在A點(diǎn)B.帶負(fù)電,放在B點(diǎn)C.帶負(fù)電,放在C點(diǎn)D.帶正電,放在C點(diǎn)答案 C解析 小球a受到重力、支持力和庫(kù)侖力的作用處于平衡狀態(tài)時(shí),才能靜止在斜面上。上述選項(xiàng)中只有C選項(xiàng)的情況才可使小球a所受合力為零,應(yīng)選C。 隨堂訓(xùn)練1.(多項(xiàng)選擇)以下說(shuō)法中正確的選項(xiàng)是()A.點(diǎn)電荷是一種理想化模型,實(shí)際上是不存在的C.兩帶電荷量分別為Q1、Q2的球體間的作用力在任何情況下都可用公式D.一個(gè)帶電體能否看成點(diǎn)電荷,不是看它的尺寸大小,而是看它的形狀、大小及電荷分布對(duì)所研究問(wèn)題的影響是否可以忽略不計(jì)答案 AD解析 點(diǎn)電荷是一種理想化模型,實(shí)際上并不存在。一個(gè)帶電體能否看成點(diǎn)電荷不是看其大