2018-2019學(xué)年高中物理 第一章 靜電場(chǎng) 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(yù)習(xí)】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(guān)，為了研究其定量關(guān)系，通常用___________來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。,電荷量,距離,控制變量法,,(2)探究結(jié)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(diǎn)電荷：當(dāng)實(shí)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(duì)它們之間的作用力的影響可以_____時(shí)，這樣的帶電體可看作點(diǎn)電荷，它是_______的物理模型。,遠(yuǎn)小于,忽略,理想化,,(2)庫侖定律：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_____，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(dá)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(diǎn)電荷,【預(yù)習(xí)小測(cè)】1.下列關(guān)于點(diǎn)電荷的說法中正確的是()A.體積大的帶電體一定不是點(diǎn)電荷B.當(dāng)兩個(gè)帶電體的形狀、大小等因素對(duì)它們之間的相互作用力的影響可忽略時(shí)，這兩個(gè)帶電體可看成點(diǎn)電荷C.點(diǎn)電荷就是體積足夠小的電荷D.點(diǎn)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(diǎn)電荷，與帶電體的形狀、體積大小無關(guān)，主要看帶電體的形狀、體積大小相對(duì)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(diǎn)電荷，否則不能。,,2.(多選)下列說法中正確的是()A.點(diǎn)電荷是一種理想模型，真正的點(diǎn)電荷是不存在的B.點(diǎn)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(dāng)r→0時(shí)，F(xiàn)→∞D(zhuǎn).一個(gè)帶電體能否看成點(diǎn)電荷，不是看它的尺寸大小，而是看它的形狀和大小對(duì)所研究的問題的影響是否可以忽略不計(jì),,【解析】選A、D。點(diǎn)電荷是一種理想模型，一個(gè)帶電體能否看成點(diǎn)電荷不是看其大小，而是應(yīng)具體問題具體分析，是看它的形狀和尺寸對(duì)相互作用力的影響能否忽略不計(jì)。當(dāng)r→0時(shí)，F(xiàn)=不再適用，所以本題A、D對(duì)。,,3.(多選)已經(jīng)證實(shí)，質(zhì)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(zhì)子是由三個(gè)夸克組成的，且各個(gè)夸克之間的距離都為l=1.510-15m，則質(zhì)子內(nèi)相鄰兩個(gè)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(zhì)子帶電+e，所以它是由2個(gè)上夸克和1個(gè)下夸克組成的，三個(gè)夸克正好位于等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)處，由庫侖定律得這時(shí)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(dòng)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(jié)合上述情景，討論下列問題：(1)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。,(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(guān)系時(shí)，怎樣操作？實(shí)驗(yàn)結(jié)論是什么？提示：把一帶正電的球A放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，用絲線懸掛一帶正電的小球B于鐵架臺(tái)上。移動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)系時(shí)，怎樣操作？實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)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(guān)。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(jié)】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(xué)要探究電荷之間的相互作用力跟什么因素有關(guān)。他將一個(gè)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(diǎn)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(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及相關(guān)條件，歸納得出初步結(jié)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(gè)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(shí)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(guān)，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(xùn)練】在探究?jī)呻姾砷g相互作用力的大小與哪些因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，一同學(xué)猜想可能與兩電荷間的距離和帶電量有關(guān)。他選用帶正電的小球A和B，A球放在可移動(dòng)的絕緣座上，B球用絕緣絲線懸掛于玻璃棒C點(diǎn)，如圖所示。,實(shí)驗(yàn)時(shí)，先保持兩電荷量不變，使A球從遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)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(xué)在探究中應(yīng)用的科學(xué)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(duì)小球B進(jìn)行受力分析，設(shè)懸線與豎直方向的夾角為θ，可以得到小球受到的電場(chǎng)力：F=mBgtanθ，即B球懸線的偏角越大，電場(chǎng)力也越大；所以使A球從遠(yuǎn)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(yuǎn)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(bǔ)償訓(xùn)練】1.如圖所示，兩個(gè)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(fù)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(gè)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(fù)電，故選項(xiàng)A、B都錯(cuò)；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(xiàng)錯(cuò)，D項(xiàng)對(duì)。,,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(gè)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(gè)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(duì)該實(shí)驗(yàn)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(guān)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(guān)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(cuò)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(guān)，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(cuò)誤。,,3.(2018蘇州高二檢測(cè))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(shí)絲線偏離豎直方向的角度不同。則下面關(guān)于此實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)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(guān)B.電荷之間作用力的大小與兩電荷的性質(zhì)有關(guān)C.電荷之間作用力的大小與兩電荷所帶的電量有關(guān)D.電荷之間作用力的大小與絲線的長(zhǎng)度有關(guān),,【解析】選A。在研究電荷之間作用力大小的決定因素時(shí)，采用控制變量的方法進(jìn)行，如本實(shí)驗(yàn)，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(guān)系，故B、C、D錯(cuò)誤，A正確。,,主題二庫侖定律【互動(dòng)探究】有一個(gè)半徑為20cm的帶電圓盤，距離圓盤某處有一個(gè)電子，試結(jié)合上述情景，討論下列問題：,,(1)能否把帶電圓盤看作點(diǎn)電荷？提示：能否把帶電圓盤看作點(diǎn)電荷，不能只看大小，要視具體情況而定。若考慮它與10m遠(yuǎn)處的一個(gè)電子的作用力時(shí)，完全可以把它看作點(diǎn)電荷；若電子距圓盤只有1mm，這一帶電圓盤就相當(dāng)于一個(gè)無限大的帶電平面，因而不能看作點(diǎn)電荷。,,(2)把帶電體看成點(diǎn)電荷的條件是什么？提示：當(dāng)帶電體的線度比相互作用的距離小很多時(shí)，帶電體可視為點(diǎn)電荷。,,(3)在情景中當(dāng)帶電圓盤與電子的距離r→0時(shí)，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?yàn)楫?dāng)r→0時(shí)，兩個(gè)帶電體已不能看作點(diǎn)電荷，不能直接用庫侖定律來計(jì)算它們之間的相互作用力。,,【探究總結(jié)】1.對(duì)點(diǎn)電荷的理解：(1)點(diǎn)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(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，就可以忽略其形狀、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。,,2.對(duì)庫侖定律的四點(diǎn)理解：(1)適用條件：庫侖定律成立的條件是真空中兩個(gè)點(diǎn)電荷間的相互作用力。但空氣中兩點(diǎn)電荷間的相互作用力也可以近似用庫侖定律計(jì)算。(2)庫侖力的合成：空間中有多個(gè)電荷時(shí)，某電荷所受的靜電力是其他所有電荷單獨(dú)對(duì)其作用的庫侖力的矢量和(力的合成)。,,(3)庫侖力的性質(zhì)：兩個(gè)點(diǎn)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(duì)作用力與反作用力。不要認(rèn)為電荷量大的電荷對(duì)電荷量小的電荷作用力大。(4)庫侖力的計(jì)算：用公式計(jì)算庫侖力大小時(shí)，不必將表示電荷Q1、Q2的帶電性質(zhì)的正、負(fù)號(hào)代入公式中，只將其電荷量的絕對(duì)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(gè)質(zhì)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(zhì)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(duì)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(guān)鍵是明確以下兩點(diǎn)：(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?yàn)閹靵龆芍贿m用于可看作點(diǎn)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(cè)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(diǎn)電荷，所以不能應(yīng)用庫侖定律。萬有引力定律適用于兩個(gè)可看成質(zhì)點(diǎn)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(zhì)量分布均勻，故兩球殼可看作質(zhì)量集中于球心的質(zhì)點(diǎn)。因此，可以應(yīng)用萬有引力定律。綜上所述，對(duì)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(xiàng)D正確。,,【探究訓(xùn)練】(2018蕪湖高二檢測(cè))如圖所示，abcde是半徑為r的圓的內(nèi)接正五邊形，在其頂點(diǎn)a、b、c、d處各固定有電荷量為+Q的點(diǎn)電荷，在e處固定有電荷量為-3Q的點(diǎn)電荷，放置在圓心O處的點(diǎn)電荷-q受到的靜電力的大小和方向?yàn)?),,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(yīng)分別求出五個(gè)頂點(diǎn)處的電荷對(duì)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(gè)力的合力，需要進(jìn)行大量的計(jì)算和繪圖?，F(xiàn)在設(shè)想在e處放一電荷量為+Q的點(diǎn)電荷，正五邊形五個(gè)頂點(diǎn)處的點(diǎn)電荷就關(guān)于圓心O對(duì)稱，根據(jù)對(duì)稱性可知，五個(gè)+Q對(duì)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(diǎn)e處的-3Q等效為+Q和,,-4Q，五個(gè)+Q對(duì)圓心O處的-q的作用力的合力為零。因此，對(duì)圓心O處的-q的作用力等效為在e處的-4Q對(duì)-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(xiàng)A正確。,,【補(bǔ)償訓(xùn)練】1.在真空中某點(diǎn)電荷的電場(chǎng)中，在距該點(diǎn)電荷為r1處引入電荷量為q的檢驗(yàn)電荷時(shí)，所受靜電力大小為F，將該檢驗(yàn)電荷放在距該點(diǎn)電荷為r2處時(shí)，受到的靜電力大小為(),,【解析】選C。由庫侖定律知F=。將該檢驗(yàn)電荷放在r2處時(shí)，F(xiàn)′=。則F′=，故C正確。,,2.一個(gè)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(diǎn)放電荷量為q的另一個(gè)點(diǎn)電荷，此時(shí)Q與q的庫侖力為F，若將q移至N點(diǎn)，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(gè)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(diǎn)放電荷量為q的另一個(gè)點(diǎn)電荷，此時(shí)Q與q的庫侖力為F，若將q移至N點(diǎn)，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(duì),,【解析】選D。由于點(diǎn)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(diǎn)電荷，所以q和圓盤間的庫侖力也就不能使用庫侖定律計(jì)算，故答案為D。,,【延伸探究】若將圓盤中的電荷集中于O點(diǎn)，其他條件不變，則F′等于多少？【解析】?jī)呻姾删嚯x變?yōu)樵瓉淼膬杀叮瑤靵隽ψ優(yōu)樵瓉淼乃姆种?，即F′=。答案：,,3.三個(gè)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(yuǎn)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(yuǎn)，此時(shí)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(yuǎn)處，此時(shí)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(shè)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(xiàng)對(duì)。,,【通法悟道】應(yīng)用庫侖定律的三點(diǎn)注意(1)帶電體能否視為點(diǎn)電荷的判斷依據(jù)是帶電體的形狀、大小對(duì)靜電力而言是次要因素。(2)掌握庫侖定律的使用條件，進(jìn)行大小計(jì)算時(shí)代入電荷量的絕對(duì)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(duì)物體進(jìn)行受力分析時(shí)不要遺漏。,【課堂小結(jié)】,