2022-2023年粵教版(2019)新教材高中物理必修3 第1章靜電場(chǎng)的描述第2節(jié)庫侖定律課件

第二節(jié)庫侖定律第一章【必備知識(shí)】一、點(diǎn)電荷

影響靜電力的因素1.如果一個(gè)帶電體本身的大小比它與其他帶電體的距離小得多,電荷在帶電體上的具體分布情況可以忽略,即可以把帶電體抽象成一個(gè)點(diǎn),這個(gè)帶電的點(diǎn)稱為點(diǎn)電荷.2.電荷量不變時(shí),電荷間的距離增大,作用力減小;距離減小,作用力增大.3.電荷間距離不變時(shí),電荷量增大,作用力增大;電荷量減小,作用力減小.想一想如圖所示,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.在本實(shí)驗(yàn)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(guān)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.二、庫侖定律1.內(nèi)容:在真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力,其大小與它們的電量q1、q2的乘積成正比,與它們之間距離r的二次方成反比.作用力的方向在它們的連線上.2.公式:,k叫靜電力常量,若式中各物理量均使用國(guó)際單位制,則k=9.0×109N·m2/C2.

【自我檢測(cè)】1.判斷正誤,判斷結(jié)果為錯(cuò)誤的小題請(qǐng)說明原因.(1)點(diǎn)電荷就是元電荷.(

)解析

點(diǎn)電荷的電荷量是元電荷的整數(shù)倍.答案

×(2)對(duì)于庫侖定律公式,當(dāng)r→∞時(shí),F→0;當(dāng)r→0時(shí),F→∞.(

)解析

距離很近時(shí),電荷不能再看成點(diǎn)電荷,公式不再適用.答案

×(3)庫侖定律適用于點(diǎn)電荷,點(diǎn)電荷其實(shí)就是體積很小的球體.(

)解析

體積很小的球體的大小和形狀不一定能被忽略.答案

×2.下列關(guān)于點(diǎn)電荷的說法正確的是(

)A.體積大的帶電體一定不能看作點(diǎn)電荷B.點(diǎn)電荷的電荷量一定是1.6×10-19CC.點(diǎn)電荷是一個(gè)理想化模型D.研究帶電體的相互作用時(shí),所有帶電體都可以看作點(diǎn)電荷解析

當(dāng)帶電體的形狀和大小對(duì)所研究的問題的影響可忽略不計(jì)時(shí),可將帶電體視為點(diǎn)電荷,故A錯(cuò)誤;點(diǎn)電荷是將帶電物體簡(jiǎn)化為一個(gè)帶電的點(diǎn),元電荷為1.6×10-19

C,是電荷量的最小值,點(diǎn)電荷的值可以等于元電荷,也可以是元電荷的整數(shù)倍,故B錯(cuò)誤;點(diǎn)電荷是理想化的物理模型,故C正確;研究帶電體的相互作用時(shí),并不是所有帶電體都可以看作點(diǎn)電荷,只有滿足條件的帶電體才能視為點(diǎn)電荷,故D錯(cuò)誤.答案

C3.真空中兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷+q,距離為r,則它們間的靜電力為(

)解析

根據(jù)同種電荷相互排斥可知,兩點(diǎn)電荷間的靜電力為排斥力,由庫侖定律可知,靜電力大小為

,D正確.答案

D4.(多選)對(duì)于庫侖定律,下列說法正確的是(

)A.計(jì)算真空中兩個(gè)點(diǎn)電荷間的相互作用力時(shí),都可以使用公式B.兩個(gè)帶電小球即使相距非常近,也能用庫侖定律C.相互作用的兩個(gè)點(diǎn)電荷,不論它們的電荷量是否相同,它們之間的庫侖力大小一定相等D.當(dāng)兩個(gè)半徑為r的帶電金屬球中心相距為4r時(shí),對(duì)于它們之間的靜電作用力的大小,只取決于它們各自所帶的電荷量解析

庫侖定律適用于真空中的兩個(gè)點(diǎn)電荷,當(dāng)兩個(gè)帶電小球離得非常近時(shí)帶電體的電荷分布會(huì)發(fā)生變化,不再均勻,故不能用庫侖定律來解題,兩點(diǎn)電荷間的力是作用力和反作用力,所以A、C正確.答案

AC探究一對(duì)點(diǎn)電荷的理解與應(yīng)用【問題情境】2021年6月17日,三名航天員進(jìn)入天和核心艙,航天員在研究帶電體時(shí),可能需要將帶電體看作點(diǎn)電荷.研究點(diǎn)電荷有什么意義?要點(diǎn)提示

點(diǎn)電荷可以幫助研究人員抓住主要因素、忽略次要因素.【知識(shí)歸納】1.點(diǎn)電荷是理想化模型點(diǎn)電荷是只有電荷量,沒有大小、形狀的理想化模型,類似于力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn),實(shí)際中并不存在.2.帶電體看成點(diǎn)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(duì)相互作用力的影響很小,就可以忽略形狀、大小等次要因素,只保留對(duì)問題有關(guān)鍵作用的電荷量,帶電體就能看成點(diǎn)電荷.3.注意區(qū)分點(diǎn)電荷與元電荷(1)元電荷是最小的電荷量,其數(shù)值等于一個(gè)電子或一個(gè)質(zhì)子所帶電荷量的絕對(duì)值.(2)點(diǎn)電荷只是不考慮帶電體的大小和形狀,是帶電個(gè)體,其帶電荷量可以很大也可以很小,但一定是元電荷的整數(shù)倍.【典例剖析】例1關(guān)于點(diǎn)電荷,下列說法正確的是(

)A.體積小的帶電體在任何情況下都可以看成點(diǎn)電荷B.所有的帶電體在任何情況下都可以看成點(diǎn)電荷C.帶電體的大小和形狀對(duì)研究它們之間的作用力的影響可以忽略不計(jì)時(shí),帶電體可以看成點(diǎn)電荷D.通常把帶電小球看成點(diǎn)電荷,帶電小球靠得很近時(shí),它們之間的作用力為無窮大解析

電荷的形狀、大小對(duì)分析的問題的影響可以忽略時(shí),就可以看成是點(diǎn)電荷,所以體積大的帶電體也有可能看成是點(diǎn)電荷,體積小的帶電體有時(shí)不能看作點(diǎn)電荷,所以A錯(cuò)誤;并不是所有帶電體都能看作點(diǎn)電荷,所以B錯(cuò)誤;帶電體的大小和形狀對(duì)研究它們之間的作用力的影響可以忽略不計(jì)時(shí),帶電體可以看成點(diǎn)電荷,所以C正確;通常把帶電小球看成點(diǎn)電荷,但帶電小球靠得很近時(shí)不能看成點(diǎn)電荷,庫侖定律不再適用,所以D錯(cuò)誤.答案

C規(guī)律方法

對(duì)點(diǎn)電荷的兩點(diǎn)理解(1)帶電體能否看作點(diǎn)電荷,不取決于帶電體的大小,而取決于它們的大小、形狀與距離相比能否忽略.(2)同一帶電體,在不同問題中有時(shí)可以看作點(diǎn)電荷,有時(shí)不可以看作點(diǎn)電荷.變式訓(xùn)練

1(多選)關(guān)于元電荷和點(diǎn)電荷,下列說法中正確的是(

)A.電子就是元電荷B.元電荷的電荷量等于一個(gè)電子或質(zhì)子所帶的電荷量C.電子一定是點(diǎn)電荷D.體積很大的帶電體也可能視為點(diǎn)電荷解析

電子和質(zhì)子是實(shí)實(shí)在在的粒子,而元電荷只是等于一個(gè)電子或質(zhì)子所帶的電荷量,A錯(cuò)誤,B正確;帶電體能否看成點(diǎn)電荷,不能以體積大小、電荷量多少而論,只要在測(cè)量精度要求的范圍內(nèi),帶電體的形狀、大小等因素的影響可以忽略,即可視為點(diǎn)電荷,C錯(cuò)誤,D正確.答案

BD探究二對(duì)庫侖定律的理解【問題情境】在一些原子結(jié)構(gòu)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.電子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力是由原子核對(duì)電子的萬有引力提供的嗎?要點(diǎn)提示

原子核對(duì)電子的庫侖力提供了向心力,兩者間的萬有引力要比庫侖力小得多,完全可以忽略不計(jì).【知識(shí)歸納】1.庫侖力的確定(1)大小計(jì)算:利用庫侖定律計(jì)算庫侖力時(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)方向判斷:利用同種電荷相互排斥、異種電荷相互吸引來判斷.2.兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的庫侖力遵守牛頓第三定律不論電荷量大小如何,兩點(diǎn)電荷間的庫侖力大小總是相等的.3.庫侖定律的適用范圍(1)庫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)則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.要點(diǎn)筆記

帶電體不能看成點(diǎn)電荷時(shí),庫侖定律不再適用,但庫侖力仍存在.【典例剖析】例2兩個(gè)大小相同、可看作點(diǎn)電荷的金屬小球a和b分別帶有等量異種電荷,被固定在絕緣水平面上,這時(shí)兩球間庫侖引力的大小為F,現(xiàn)用一個(gè)不帶電的、同樣大小的金屬小球c先與a球接觸,再與b球接觸,則a、b兩球間的靜電力大小為(

)答案

A規(guī)律方法

兩個(gè)帶電球體間的庫侖力1.兩個(gè)規(guī)則的均勻帶電球體,相距比較遠(yuǎn)時(shí),可以看成點(diǎn)電荷,庫侖定律也適用,二者間的距離就是球心間的距離.變式訓(xùn)練

2兩個(gè)分別帶有電荷量-Q和+3Q的相同金屬小球(均可視為點(diǎn)電荷),固定在相距為r的兩處,它們間庫侖力的大小為F.兩小球相互接觸后將其固定距離變?yōu)?則兩球間庫侖力的大小為(

)答案

C探究三靜電力的疊加規(guī)律【問題情境】如圖所示,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,則電荷C所受靜電力的方向向哪?要點(diǎn)提示

以C為研究對(duì)象,受到F1和F2的作用,相互間的距離都相同,故F1=F2.根據(jù)平行四邊形定則,合靜電力的方向沿A與B連線的垂直平分線斜向下.【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兩個(gè)點(diǎn)電荷的電荷量及間距有關(guān),跟它們的周圍是否存在其他電荷無關(guān).2.若空間存在多個(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.【典例剖析】例3如圖所示,在A、B兩點(diǎn)分別放置點(diǎn)電荷Q1=2×10-14C和Q2=-2×10-14C,在AB的垂直平分線上有一點(diǎn)C,且AB=AC=BC=6×10-2m.如果有一個(gè)電子靜止在C點(diǎn),則它所受的庫侖力的大小和方向如何?答案

8.0×10-21N

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則求出其合力.變式訓(xùn)練

3如圖所示,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已知)所受的靜電力.解析

正點(diǎn)電荷QC在C點(diǎn)的受力情況如圖所示,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,仍然遵守庫侖定律.探究四靜電力作用下的平衡問題【問題情境】如圖所示,A、B、C三個(gè)帶電小球靜止在光滑水平面上,已知A球帶正電,B球帶負(fù)電,則C球帶何種電荷?要點(diǎn)提示

C球帶正電.【知識(shí)歸納】1.分析帶電體在有靜電力作用下的平衡問題時(shí),方法仍然與解決力學(xué)中物體的平衡問題時(shí)一樣,具體步驟:(1)確定研究對(duì)象;(2)進(jìn)行受力分析;(3)建立坐標(biāo)系;(4)列方程F合=0,必要時(shí)正交分解,∑Fx=0,∑Fy=0;(5)求解方程.2.三個(gè)自由點(diǎn)電荷的平衡問題(1)條件:每個(gè)點(diǎn)電荷受到的兩個(gè)靜電力必須大小相等,方向相反.(2)規(guī)律:“三點(diǎn)共線”——三個(gè)點(diǎn)電荷分布在同一直線上;“兩同夾異”——正、負(fù)電荷相互間隔;“兩大夾小”——中間電荷的電荷量最小;“近小遠(yuǎn)大”——中間電荷靠近電荷量較小的電荷.【典例剖析】例4兩個(gè)帶正電荷的小球,電荷量分別為Q和9Q,在真空中相距l(xiāng).如果引入第三個(gè)小球,恰好使得三個(gè)小球只在它們相互之間的靜電力作用下處于平衡狀態(tài),第三個(gè)小球應(yīng)帶何種電荷?放在何處?電荷量又是多少?解析

引入第三個(gè)小球后三個(gè)小球均處于平衡狀態(tài),第三個(gè)小球應(yīng)放在兩個(gè)小球連線上,且?guī)ж?fù)電荷.設(shè)第三個(gè)小球帶電荷量為q,離Q的距離為x,以第三個(gè)小球?yàn)檠芯繉?duì)象,規(guī)律方法

解決三個(gè)自由點(diǎn)電荷的平衡問題時(shí),首先應(yīng)根據(jù)三個(gè)自由點(diǎn)電荷的平衡問題的規(guī)律確定出點(diǎn)電荷的電性和大體位置.求點(diǎn)電荷間的距離時(shí),一般對(duì)未知電荷量的電荷列平衡方程;求未知電荷的電荷量時(shí),一般對(duì)已知電荷量的電荷列平衡方程.變式訓(xùn)練

4兩個(gè)可自由移動(dòng)的點(diǎn)電荷分別在A、B兩處,如圖所示,A處電荷帶正電Q1,B處電荷帶負(fù)電Q2,且Q2=4Q1,另取一個(gè)可以自由移動(dòng)的點(diǎn)電荷Q3,放在直線AB上,欲使整個(gè)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),則(

)A.Q3為負(fù)電荷,且放于A左方B.Q3為負(fù)電荷,且放于B右方C.Q3為正電荷,且放于A與B之間D.Q3為正電荷,且放于B右方解析

根據(jù)“兩同夾異”和“兩大夾小”的原則,Q3應(yīng)為負(fù)電荷,且放于A的左方,故選A.答案

A

隨堂訓(xùn)練1.真空中有兩個(gè)半徑為r的金屬球(可看作點(diǎn)電荷),帶電荷量分別為Q1、Q2,它們的間距如圖所示,則它們之間的靜電力是(

)解析

兩個(gè)帶電金屬球間的距離為兩球心間的距離L+2r,故根據(jù)庫侖定律得它們之間的靜電力為

,C正確.答案

C2.關(guān)于庫侖定律,下列說法正確的是(

)A.庫侖定律適用于點(diǎn)電荷,點(diǎn)電荷其實(shí)就是體積最小的帶電體B.根據(jù),當(dāng)兩個(gè)帶電體間的距離趨近于零時(shí),庫侖力將趨向無窮大C.帶電荷量分別為Q和3Q的點(diǎn)電荷A、B相互作用時(shí),B受到的靜電力是A受到的靜電力的3