2019-2020学年高中物理 第2章 电场与示波器 1 探究电场的力的性质课件 沪科版选修3-1

2．1探究电场的力的性质第2章电场与示波器1.掌握电场强度的矢量性．(重点)2.掌握电场强度矢量的叠加，并能进行简单的计算．(重点、难点)3．掌握用电场线描述电场的方法．(重点)第2章电场与示波器一、电场1．电场：______周围存在着由它产生的电场，场是______存在的一种形态．2．电场力：电场最基本的性质是能够对场中的电荷有____的作用，这个力叫做________．3．静电场：相对于观察者静止的电荷的电场称为__________．电荷物质力电场力静电场1．(1)电场不是真实存在的，是假想出来的东西．()(2)电场的基本性质是对放入其中的电荷有力的作用．()(3)A、B两个异号电荷，A受到B的吸引力是因为B电荷处于A产生的电场中．()×√×二、怎样描述电场1．定量描述电场(1)试探电荷：是一种理想化的物理模型．①试探电荷的电荷量和尺寸都必须充分小，以至于放入电场时可以忽略对原来电场的影响．②能确切地反映它在电场中的位置．(2)电场强度①定义：电场中某点的电荷所受到的__________跟它的__________的比值，叫做电场在该点的电场强度，简称______，用E表示．②定义式：__________，点电荷的场强公式：___________．电场力F电荷量q场强E＝FqE＝kQr2③方向：电场中某点电场强度的方向跟________在该点所受电场力的方向相同．④单位：________，该单位为导出单位，由力的单位和电量的单位共同决定．⑤物理意义：反映电场______的物理量．描述电场力的性质．正电荷N/C强弱公式E＝Fq中的q和公式E＝kQr2中的Q意义相同吗？提示：不相同．q是试探电荷，Q是场源电荷．2．形象描述电场(1)电场线：在电场中画出的一些有方向的曲线，在这些曲线上，每一点的切线方向都表示该点的__________方向，这样的曲线叫________．用电场线的______来大致表示电场强度的大小．(2)物理模型：电场线是为了形象地描述电场而假想的线，电场中实际__________这些线．(3)匀强电场：场强的大小和方向都相同的电场叫做______电场．电场强度电场线疏密并不存在匀强三、电场的叠加原理许多点电荷在某点的合场强，等于各点电荷的电场在该点场强的________，可以表示为E合＝E1＋E2＋…＋En，这叫做电场的叠加原理．矢量和2．(1)以点电荷为球心的球面上各点电场强度处处相同．()(2)E＝kQr2适用于真空中的点电荷．()(3)真空中点电荷的电场强度E与场源电荷Q的大小无关．()×√×四、匀强电场中金属导体的电荷分布1．静电平衡：物理学中将导体中没有电荷移动的状态叫做__________．2．导体的内部场强：处在静电平衡下的导体，内部场强处处为____．3．在导体表面附近，电场线与表面的关系：______．4．电荷分布：处于静电平衡下的导体，电荷只分布在导体的________．静电平衡零垂直外表面对电场强度的理解学案导引1．公式E＝Fq中能说明E与F成正比与q成反比吗？2．电场中某点的场强和哪些因素有关？1．对定义式E＝Fq的理解(1)公式E＝Fq是电场强度的比值定义式，适用于一切电场，电场中某点的电场强度仅与场源电荷及其该点在电场中的位置有关，与试探电荷的电荷量、电性及所受电场力F的大小无关，所以不能说E∝F，E∝1q.(2)公式E＝Fq仅定义了场强的大小，其方向需另外判定．(3)E＝Fq的变形式F＝qE表明：如果已知电场中某点的场强E，便可计算在该点放任何点电荷量的点电荷所受电场力的大小．2．两个场强公式E＝Fq与E＝kQr2的比较物理含义引入过程适用范围E＝Fq是电场强度大小的定义式F∝q，但E与F、q无关，E是反映某点处电场的性质适用于一切电场E＝kQr2是真空中点电荷场强的决定式由E＝Fq和库仑定律导出，E由Q、r决定在真空中，场源电荷Q是点电荷点电荷Q产生的电场中有一A点，现在在A点放上一电荷量为q＝＋2×10－8C的试探电荷，它受到的静电力为7.2×10－5N，方向水平向左，则：(1)点电荷Q在A点产生的电场强度大小为E1＝________，方向________．(2)若在A点换上另一电荷量为q′＝－4×10－8C的试探电荷，此时点电荷Q在A点产生的电场强度大小为E2＝__________．该试探电荷受到的静电力大小为__________，方向__________．(3)若将A点的试探电荷移走，此时点电荷Q在A点产生的电场强度大小E3＝__________，方向__________．[解题探究]场强的大小如何计算？其方向是如何规定的？电场中某点的电场强度与试探电荷有关吗？[解析](1)根据电场强度的定义式E＝Fq可得：E1＝7.2×10－52×10－8N/C＝3.6×103N/C，电场强度的方向与正电荷在该处受力的方向一致，所以其方向为：水平向左．(2)A点的电场是由点电荷Q产生的，因此此电场的分布由电荷Q来决定，只要Q不发生变化，A点的电场强度就不发生变化，与有无试探电荷以及试探电荷的电性无关，所以E2＝E1＝3.6×103N/C．由E＝Fq得：F＝E2q′＝3.6×103×(－4)×10－8N＝－1.44×10－4N，方向水平向右．(3)若移走试探电荷，点电荷Q在A点产生的电场强度不变，即E3＝E1＝3.6×103N/C，方向水平向左．[答案](1)3.6×103N/C水平向左(2)3.6×103N/C1.44×10－4N水平向右(3)3.6×103N/C水平向左本题主要应用场强定义式进行计算，但必须先理解场强的含义．公式E＝Fq适用于任何电场，并且E与q无关．理解电场最明显的特征就是对置入其中的电荷有力的作用．1.电场强度的定义式E＝Fq，下列说法正确的是()A．该定义式只适用于点电荷形成的电场B．F是试探电荷所受到的力，q是产生电场电荷的电荷量C．电场强度的方向与F的方向相同D．由该定义式可知，场中某点电荷所受的电场力大小与该点场强的大小成正比解析：选D．该定义式适用任何电场，选项A错误；F是试探电荷所受到的力，q是试探电荷的电荷量，选项B错误；电场强度的方向与正电荷的受力方向相同，选项C错误；由该定义式可知，场中某点电荷所受的电场力大小与该点场强的大小成正比，选项D正确．对电场线的理解学案导引1．电场线是电场中真实存在的线吗？2．电场线如何描述场的方向和强弱？1．常见电场的电场线分布情况2．电场线不是电荷的运动轨迹(1)电场线是为了形象地描述电场而引入的假想曲线，规定电场线上某点的场强方向沿该点的切线方向，也就是正电荷在该点受电场力产生的加速度的方向．(2)运动轨迹是带电粒子在电场中实际通过的径迹，径迹上每点的切线方向为粒子在该点的速度方向．结合力学知识，可以知道物体的速度方向不一定与加速度的方向一致，因此电场线不一定是粒子的运动轨迹．(3)在满足以下条件时，电场线与带电粒子的运动轨迹重合．①电场线是直线；②带电粒子只受电场力作用，或受其他力，但其他力的合力为零或其他力的合力的方向沿电场线所在直线；③带电粒子初速度为零或初速度方向沿电场线所在的直线．3．电场线的疏密和场强的关系的常见情况按照电场线的画法的规定，场强大的地方电场线密，场强小的地方电场线疏．在图中EA＞EB．但若只给一条直电场线，如图所示，则无法由疏密程度来确定A、B两点的场强的大小，对此情况可有多种推理判断：(1)若是正点电荷电场中的一根电场线，则EA＞EB．(2)若是负点电荷电场中的一根电场线，则EA＜EB．(3)若是匀强电场中的一根电场线，则EA＝EB．(1)两条电场线间的空白处存在电场，电场线上某点的切线方向表示该点的场强方向．(2)电场中任何两条电场线都不能相交，电场线也不闭合．(3)带电粒子在电场中的运动轨迹由带电粒子所受合外力与初速度共同决定．(多选)如图所示是一簇未标明方向、由单一点电荷产生的电场线，虚线是一带电粒子通过该电场区域时的运动轨迹，a、b是轨迹上的两点．若带电粒子在运动中只受电场力作用，根据此图可判断出该带电粒子()A．电性与场源电荷的电性相同B．在a、b两点所受电场力大小FaFbC．在a、b两点的速度大小vavbD．在a、b两点的动能EkaEkb[思路点拨]根据做曲线运动的物体所受合外力指向轨迹的凹侧，能判断出带电粒子的受力方向．[解析]根据带电粒子的运动轨迹可知，带电粒子所受电场力的方向跟电场线共线，指向曲线弯曲的内侧，由此可知，带电粒子与场源电荷电性相反，选项A错误；a点电场线比b点密，所以a点场强较大，带电粒子在a点所受电场力较大，选项B正确；假设带电粒子由a点运动到b点，所受电场力方向与速度方向之间的夹角大于90°，电场力做负功，带电粒子的动能减少，速度减小，即EkaEkb，vavb，同理可分析带电粒子由b点运动到a点时也有EkaEkb，vavb，故选项C正确，D错误．[答案]BC(1)电场线的疏密可以判断场强的大小，进一步可判断电场力、加速度等的大小．(2)电场力的方向指向带电粒子轨迹的凹侧，所受电场力的方向与速度方向夹角为锐角，速度增大；夹角为钝角，速度减小．2.如图所示，空间有一电场，电场中有两个点a和B．下列表述正确的是()A．该电场是匀强电场B．a点的电场强度比b点的大C．b点的电场强度比a点的大D．正电荷在a、b两点受力方向相同解析：选B．匀强电场的电场线是等间距的平行线，故A错误；a点电场线比b点电场线密，故B正确，C错误；a、b两点电场线的切线方向不同，故场强方向不同，电场力方向不同，D错误．电场的叠加学案导引1.电场叠加满足的运算规则是什么？2.等量同种电荷或等量异种电荷空间场如何分布？1．场强的叠加(1)同一直线上的场强叠加时，方向相同的两个电场的合场强等于两场强之和，方向与各场强方向一致；方向相反的两个电场的合场强等于两场强之差，方向与场强大的那个分场强的方向一致．(2)不在同一直线上的场强叠加时，其合场强的计算遵守平行四边形定则．2．等量异种电荷连线上、连线的中垂线上电场强度的变化情况(1)两点电荷连线上各点电场强度的方向由该点指向负电荷，从正点电荷到负点电荷场强先变小后变大，两点电荷连线的中点O是连线上场强最小的点．(2)两点电荷连线的中垂线上，各点场强方向均相同，且垂直于中垂线指向负电荷一侧，从O点沿中垂线往两侧场强逐渐减小．(3)关于O点对称的点的场强等大同向．(见图甲中的A与A′、B与B′)3．等量同种电荷连线上、连线的中垂线上电场强度的变化情况(1)两点电荷连线的中点O处场强为零，从O点往两侧，场强逐渐增大．(2)从O点沿中垂线往两侧，电场线先变密后变疏，场强先变大后变小．(3)两点电荷连线中垂线上各点的电场强度的方向与中垂线平行．(4)关于O点对称的点的电场强度等大反向．(见图乙中的A与A′、B与B′)(多选)如图所示，半径为r的硬橡胶圆环上，带有均匀分布的负电荷，单位长度的电荷量为q，其圆心O处的合场强为零．若在圆环顶部截去长度为l(l≪r)的一小段AB，则剩余部分在圆心O产生的场强()A．大小为klqr2B．方向为竖直向下C．方向为竖直向上D．大小和方向无法判断[解题探究](1)环形带电体能否看做点电荷？(2)怎样分割才能当成点电荷去处理？(3)分割后的点电荷在O点产生的场强哪些部分能抵消？哪些不能抵消？[解析]整个橡胶圆环虽然不能视为点电荷，但若将其分割为AA′、A′B′、B′B三部分，如图所示，根据对称性可知AA′和BB′两部分在圆心O处的合场强为零．因A′B′部分的长度l≪r，故可视为点电荷，A′B′部分产生的电场与整个缺口圆环产生的电场是等效的．A′B′部分所带电荷量Q＝lq，根据点电荷场强计算公式E＝kQr2，可得A′B′部分在圆心O处产生的场强大小为E＝klqr2.又因橡胶环带负电，故圆心O处的场强方向竖直向下．选项A、B正确．[答案]AB电场强度是矢量，合成时遵循矢量运算法则(平行四边形定则或三角形定则)，常用的方法有图解法、解析法、正交分解法等；对于同一直线上电场强度的合成，可先规定正方