2019-2020学年高中物理 第1章 静电场 第2节 静电力 库仑定律课件 鲁科版选修3-1

第1章静电场第2节静电力库仑定律学习目标重点难点1.知道点电荷的概念，了解理想化模型，体会理想化方法在科学研究中的作用.2.理解库仑定律的内容及公式，并说明库仑定律描述的客观规律和适用条件.3.通过静电力和万有引力的对比，体会自然规律的多样性和统一性．体会类比法在物理学发展过程中的作用.1.点电荷与库仑定律.2.带电体能够看成点电荷的条件.01课前自主梳理02课堂合作探究03素养拓展提升04课后巩固提升课时作业一、静电力与点电荷模型1．静电力(1)定义：_____间的_____________，也叫库仑力．(2)影响静电力大小的因素：两带电体的形状、大小、________、电荷分布、__________________等．2．点电荷本身的_____比相互之间的_____小得多的带电体，是一个理想化模型．电荷相互作用力电荷量二者之间的距离线度距离1．点电荷是否真的存在？与力学中的质点有何联系？有什么实际意义？现有半径R＝10cm的带电圆盘，能否把它看做点电荷？提示：点电荷与质点都是理想化模型，实际并不存在，抓住主要因素，忽略次要因素，是物理学研究的一种重要方法。能否把带电圆盘看做点电荷，不能只看大小，要视具体情况而定。若考虑它与10m远处的一个电子的作用力时，完全可以把它看做点电荷；若电子距圆盘只有1mm时，这一带电圆盘又相当于一个无限大的带电平面，而不能看做点电荷．二、库仑定律1．内容：真空中两个点电荷之间的相互作用力F的大小，跟它们的电荷量Q1、Q2的乘积成_____，跟它们的距离r的二次方成_____；作用力的方向沿着___________，同种电荷_____，异种电荷_____．2．公式：F＝k_____，式中k＝__________N·m2/C2，叫____________．3．库仑扭秤实验：库仑用精心设计的扭秤研究了两个点电荷之间的排斥力与它们间_____的关系，验证了“__________”的猜想．4．适用条件：(1)_____中；(2)_______．正比反比它们的连线相斥相吸静电力常量平方反比真空点电荷9.0×109Q1.Q2r2距离2．有两个带电金属球，带电量分别为q1和q2，它们之间的距离为r，它们间的库仑力F＝kq1q2r2，那么当r→0时，F→∞吗？提示：在利用库仑定律F＝kq1q2r2计算库仑力时，从数学角度分析，若两电荷间的距离r→0，F→∞；但在物理上是错误的，因为当r→0时电荷已经失去了作为点电荷的前提条件，此时库仑定律已不再适用．三、静电力叠加原理对于两个以上的点电荷，两个电荷间的作用力不受其他电荷影响．其中每一个点电荷所受的总的静电力，等于其他电荷分别单独存在时对该点电荷的作用力的_______．矢量和四、静电力与万有引力的比较定律共同点区别影响大小的因素万有引力定律F＝Gm1m2r2与两个物体______有关，只有引力，适用于______m1、m2、r库仑定律F＝kQ1Q2r2①都与__________成反比②都有一个常量与两个带电体________有关，有引力，也有斥力，适用于真空中_______Q1、Q2、r[温馨提示]对于微观粒子，相互之间的静电力远大于万有引力，因此，在讨论电子这类微观粒子的相互作用时，万有引力可以忽略不计．距离的平方质量质点电荷量点电荷对点电荷的理解1．点电荷与元电荷的差别点电荷是为了研究问题方便而抽象出来的理想化物理模型，实际中并不存在；而元电荷是自然界中存在的最小的电荷量，两者有着完全不同的含义．点电荷的带电量应该是元电荷的整数倍．2．质点与点电荷的差别质点和点电荷都是用来代替物体的科学抽象、理想化物理模型，是同类概念，但质点代替的是所有平动物体，或者相互间距离比其大小大得多的物体；而点电荷只能在带电物体间距离比带电物体大小大得多时，才可以代替带电物体．因而用来代替物体的质点和点电荷在概念区域上是不同的，能视作质点的两个平动带电物体不一定能当作点电荷．[特别提醒]一个有限大均匀带电的球体，我们可以把它们看做是电量全部集中在球心的点电荷(注意，电荷必须是均匀分布的，如果仅仅是球体而电荷分布不均匀，则不能看成点电荷)．[典例1](多选)下列哪些物体可视为点电荷()A．电子和质子在任何情况下都可视为点电荷B．均匀带电的绝缘球体在计算库仑力时可视为点电荷C．带电的细杆在一定条件下可以视为点电荷D．带电的金属球一定不能视为点电荷[思路点拨]带电体间的距离比它们自身的大小大得多时可看作点电荷．[尝试解答]能否看成点电荷取决于带电体间距离与它们自身的大小之间的关系，而不是取决于其他的条件．如果它们之间的距离比它们自身的大小大得多，以致带电体的形状和大小对相互作用力的影响可以忽略不计，这样的带电体就可以看做是点电荷．故选B、C.[答案]BC1．下列关于点电荷的说法，正确的是()A．只有体积很小的带电体才可看做点电荷B．体积很大的带电体一定不是点电荷C．当两个带电体的形状和大小对相互作用力的影响可忽略时，这两个带电体可看做点电荷D．任何带电体，都可以看做是电荷全部集中于几何中心的点电荷解析：一个带电体能否看成点电荷，不在于其大小和形状，而是取决于其大小和形状对所研究的问题的影响，C正确．答案：C对库仑定律的理解1．库仑定律的适用条件是：(1)真空；(2)点电荷．2．静电力的大小计算和方向判断一般分开进行(1)大小计算利用库仑定律计算大小时，不必将表示电性的正、负号代入公式，只代入Q1、Q2的绝对值即可(2)方向判断利用同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引来判断．3．只有采用国际单位，k的值才是9.0×109N·m2/C2.4．库仑定律严格适用于真空中两个点电荷的相互作用，但两个均匀带电球体相距较远时也可视为点电荷，r应指两球体的球心间距．[典例2]半径为R的两个较大金属球放在绝缘桌面上，若两球都带等量同种电荷Q时相互之间的库仑力为F1，两球带等量异种电荷Q与－Q时库仑力为F2，则()A．F1＞F2B．F1＜F2C．F1＝F2D．无法确定[思路点拨]两球较大不能当作点电荷处理，只能根据相互作用的特点定性分析．[尝试解答]因为两个金属球较大，电荷间的相互作用力使电荷分布不均匀，不能简单地看成点电荷．带同种电荷时，两球的电荷在较远处分布得多一些，带异种电荷时，在较近处分布得多一些，如图(甲)和图(乙)所示．可见带同种电荷时两球电荷中心间距离大于带异种电荷时电荷中心间距离．由F＝kQ1Q2r2可知有F1＜F2.[答案]B应用库仑定律计算电荷间的相互作用力时，两带电体必须是看成点电荷，若不能看成点电荷，要考虑因电荷重新分布而造成的距离变化．2．真空中两个半径均为r的金属球放在绝缘支架上，两球面最近距离为r，所带电荷量分别为＋7Q和－Q，则两球之间的静电力()A．大于k7Q29r2B．小于k7Q29r2C．等于k7Q29r2D．无法确定解析：由于两带电金属球间的距离较小，故不能看做点电荷，因此，不能利用库仑定律计算两球之间的静电力．由于两球带电量相反，故会相互吸引，使多数电荷集中于球的内侧，故可定性得出F静＞k7Q29r2的结论，因此选A.答案：A库仑定律的应用1．两个点电荷间的库仑力：真空中两个静止点电荷间库仑力的大小只跟两个点电荷的电荷量及间距有关，跟它们的周围是否有其他电荷无关．2．多个点电荷的静电力：系统中有多个点电荷时，任意两点电荷之间的作用力都遵从库仑定律，计算多个电荷对某一电荷的作用力，应先分别计算每个电荷对它的库仑力，然后再求其矢量和．3．三个点电荷的平衡问题：三个点电荷的平衡问题具有以下三个特点：(1)要使三个自由电荷组成的系统处于平衡状态，每个电荷受到的两个库仑力必须大小相等，方向相反．(2)由库仑力的方向及二力平衡可知，三个点电荷必须在同一直线上，且同种电荷不能相邻．(3)由F＝kQ1Q2r2知，中间的异种电荷电荷量应最小，且靠近两侧电荷量较小的那一个，即“三点共线，两同夹异，两大夹小，近小远大．”[特别提醒]两个点电荷Q1、Q2，若Q1＞Q2，则Q1对Q2的库仑力F1的大小等于Q2对Q1的库仑力F2，它们是作用力和反作用力的关系．[典例3](多选)如图所示，q1、q2、q3分别表示在一条直线上的三个点电荷，已知q1和q2之间的距离为l1，q2与q3之间的距离为l2，且每个电荷都处于平衡状态则()A．如果q2为正电荷，则q1、q3都为负电荷B．如果q2为负电荷，则q1为负电荷，q3为正电荷C．q1与q2两个电荷量大小之比为(l1＋l2)2∶l22D．q1与q3两个电荷量大小之比为l22∶l21[思路点拨]三个点电荷的合力都为零，若q2为正电荷，则q1、q3都带负电才满足要求．[规范解答]若q2为正电荷，对q1而言，要让其平衡，q3为负电荷，但对q2而言，q1和q3为同种电荷，所以q1与q3都为负电荷；若q2带负电，则q1、q3都为正电荷，A正确，B错误．由库仑定律和平衡条件知，对q1：kq1q2l21＝kq1q3（l1＋l2）2；对q3：kq1q3（l1＋l2）2＝kq2q3l22，由上式得q1q2＝(l1＋l2l2)2，q2q3＝(l1l1＋l2)2，所以q1q3＝l21l22，故C正确，D错误．[答案]AC三个自由电荷都处于平衡状态时，同种电荷放中间，异种电荷放两边，靠小远离大．3．两个可自由移动的点电荷分别放在A、B两处，如图所示，A处电荷带正电Q1，B处电荷带负电Q2，且Q2＝4Q1，另取一个可以自由移动的点电荷Q3放在AB直线上．欲使整个系统处于平衡状态，则()A．Q3为负电荷，且放于A左方B．Q3为负电荷，且放于B右方C．Q3为正电荷，且放于AB之间D．Q3为正电荷，且放于B右方解析：若Q3为负电荷，根据两同夹异，则A对、B错；若Q3为正电荷，则应放于B右方，C错，但Q1电荷量小，且距Q3较远，不可能平衡，故D错．答案：A假设某星球是一个均匀带负电的球体，将一带负电的粉尘置于该星球表面h处，恰好处于悬浮状态，如图所示．现设科学家将同样的粉尘带到距星球表面2h处，以初速度v0竖直向上抛出，则粉尘将()A．向上做匀减速运动B．向上做匀减速运动，然后又向下做匀加速运动C．向上以v0做匀速运动D．向上做加速度逐渐减小的变速运动[思路点拨]利用库仑定律和万有引力定律分析粉尘受力．[规范解答]设星球半径为R，粉尘悬浮在h处，则所受库仑力和万有引力平衡，即kQq（R＋h）2＝GMm（R＋h）2，可以看出无论粉尘距星球表面的距离如何变化，粉尘都处于平衡状态，故选项C正确．[答案]C[随堂训练]1．(多选)对于库仑定律，下面说法正确的是()A．凡计算真空中两个点电荷间的相互作用力，就可以使用公式F＝kQ1Q2r2B．两个带电小球即使相距非常近，也能用库仑定律C．相互作用的两个点电荷，不论它们的电荷量是否相同，它们之间的库仑力大小一定相等D．当两个半径为r的带电金属球中心相距为4r时，对于它们之间的静电力大小，只取决于它们各自所带的电荷量解析：库仑定律适用的条件是“真空中的点电荷”，B中不符合点电荷条件．D中带电金属球不能看作点电荷，近距离的带电体，其电荷会重新分布，影响到库仑力的大小．答案：AC2．如图所示，两个质量均为m的完全相同的金属球壳a与b，其壳层的厚度和质量分布均匀，将它们固定于绝缘支座上，两球心间的距离为L，是球壳半径的3倍．若使它们带上等量异种电荷，使其电荷量的绝对值均为Q，那么关于a、b两球壳之间的万有引力F引、库仑力F库的下列公式中，正确的是()A．F引＝Gm2L2，F库＝kQ2L2B．F引≠Gm2L2，F库≠kQ2L2C．F引≠Gm2L2，F库＝kQ2L2D．F引＝Gm2L2，F库≠kQ2L2解析：由于a、b两球壳带异种电荷相互吸引，故它们各自的电荷分布不均匀，相互靠近的一侧电荷分布比较密集，又因两球心间的距离L是球壳半径r的3倍，不满足L≫r的要求，故不能将两带电球壳看成点电荷，所以不能用库仑定律公式计算它们之间的库仑力，故F库≠kQ2L2.万有引力定律适用于任何两个物体之间，此处由于两壳层的厚度和质量分布均匀，所以两球壳可看成质量集中