2019-2020学年高中物理 第1章 电场 第2节 探究静电力课件 粤教版选修3-1

第二节探究静电力1．下列说法正确的是()A．物体所带的电荷量可以为2×10－19CB．不带电的物体上，既没有正电荷也没有负电荷C．摩擦起电的过程，是靠摩擦产生了电荷D．利用静电感应使金属导体带电，实质上是导体中的自由电子靠近或远离带电体【答案】D【解析】物体所带电量均是元电荷(即1.6×10－19C)的整数倍，所以不可能为任意实数，A错误；不带电的物体，并不是没有正、负电荷，而是没有多余的电荷，故B错误；摩擦起电是自由电荷转移后，导致物体有多余电荷，从而使物体带上电，故C错误；静电感应带电，实质上是导体中的自由电子在电场中受到电场力的作用下，远离或靠近带电体，D正确．2．将一根用丝绸摩擦过的玻璃棒靠近一个通草小球()A．如果小球被吸引，小球必带负电B．如果小球被吸引，小球必带正电C．如果小球被排斥，小球必带负电D．如果小球被排斥，小球必带正电【答案】D【解析】带电体能吸引轻小物体，也能吸引带异种电荷的物体，但只排斥带同种电荷的物体．被丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，若小球被吸引，不能确定小球是否带电，若被排斥，则一定带正电．一、点电荷当带电体间的距离比它们自身的大小大得多，以致带电体的形状、大小及电荷分布状况对它们之间相互作用力的影响可以__________时，这样的带电体就可以看作带电的点，叫作点电荷．特点：(1)点电荷是只有电荷量，没有大小、形状的理想化模型，类似于力学中的质点，实际中__________．(2)一个带电体能否看作点电荷，是相对于具体问题而言的，不能单凭其____________确定．忽略不计并不存在大小和形状二、库仑扭秤实验1．用库仑扭秤做实验时，改变两个球之间的距离，记录每次悬丝扭转的角度，便可找到力F与距离r的关系：力F与距离r的二次方成______，即F∝1r2．2．电荷间的作用力与电荷量的关系：力F与q1和q2的乘积成______，即F∝q1q2．反比正比三、库仑定律1．库仑定律：在真空中两个点电荷之间的作用力，跟它们的电荷量的乘积成______，跟它们的距离的二次方成______，作用力的方向在它们的________，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引．正比反比连线上【特别提醒】(1)电荷间的相互作用力称为静电力或库仑力．(2)库仑定律适用于真空中两个静止的点电荷，在空气中也近似成立．(3)如果存在多个点电荷时，某点电荷受的静电力是其他所有点电荷单独对其作用的静电力的矢量和．2．库仑定律的表达式____________．(1)在国际单位制中，电荷量的单位是库仑(C)，力的单位是__________，距离的单位是________．(2)k是静电力常量，k＝________________，其意义是：两个电荷量为1C的点电荷，在真空中相距1m时，相互作用力是____________．F＝kq1q2r2牛顿(N)米(m)9.0×109N·m2/C29.0×109N用干燥的纤维布分别与两张薄塑料片摩擦一下，然后将两张塑料片靠近，会发现它们相互排斥，分析一下这其中的物理道理．【答案】塑料片带同种电荷，相互排斥．1．知识图解点电荷2．点电荷是一个相对的概念，至于带电体的线度比相关的距离小多少时它才能当作点电荷，要看问题所要求的精确度而定．在宏观意义上讨论电子、质子等带电粒子时，完全可以把它们视为点电荷．【特别提醒】点电荷与力学中的质点类似，是在研究复杂物理问题时引入的一种理想模型．不少物理问题都与较多的因素有关，要研究其与所有因素的关系是很困难的，抓住主要因素构建物理模型，才可以简化研究过程．例1一个半径为10cm的带电圆盘，要研究它与和它距离为10m处的某个电子的作用力，可以应用库仑定律计算吗？如果这个电子离圆盘只有1mm呢？解析：带电圆盘半径10cm距离电子10m，可以认为双方都是点电荷，完全可以应用库仑定律计算其相互作用力．(一般我们说一个物理量比另一个物理量大很多，则至少应该为其100倍)若两者相距1mm，那么带电圆盘相对于电子又相当于一个无限大的带电平面，不能应用库仑定律．答案：见解析►题后反思点电荷是实际带电体的抽象和近似，它是建立具有普遍意义的基本规律的不可缺少的理想模型，又是把复杂多变的实际问题转化或分解为基本问题时必不可少的分析手段．1．关于点电荷的说法，正确的是()A．点电荷的带电量一定是1.60×10－19CB．实际存在的电荷都是点电荷C．点电荷是理想化的物理模型D．大的带电体不能看成点电荷【答案】C【解析】点电荷是将带电物体简化为一个带电的点，元电荷是电量的最小值，点电荷的值可以等于元电荷，也可以是元电荷的整数倍，即点电荷的电荷量可多可少，A错误；在研究带电体间的相互作用时，带电体的尺寸远小于它们之间的距离时，才可把带电体看成点电荷，并不是所有电荷都可以看成点电荷，B错误；点电荷是理想化的物理模型，C正确；大的带电体，在间距更大的情况下，可以看成点电荷，D错误．1．适用条件：适用于真空中的点电荷．真空中的电荷为非点电荷，如图所示．同种电荷时，实际距离会增大，如图甲所示；互为异种电荷时，实际距离会减小，如图乙所示．库仑定律的应用2．对公式F＝kq1q2r2的理解：有人根据公式F＝kq1q2r2，设想当r→0时，得出F→∞的结论．从数学角度这是必然的结论，但从物理的角度分析，这一结论是错误的，其原因是，当r→0时，两电荷已失去了点电荷的前提条件，何况实际的电荷都有一定的大小和形状，根本不会出现r＝0的情况，也就是说，在r→0时不能再用库仑定律计算两电荷间的相互作用力．3．计算库仑力的大小与判断库仑力的方向分别进行．即用公式计算库仑力的大小时，不必将电荷q1、q2的正、负号代入公式中，而只将电荷量的绝对值代入公式中计算出力的大小，力的方向根据同种电荷相斥，异种电荷相吸加以判断即可．4．公式中各量的单位要统一用国际单位，与k＝9.0×109N·m2/C2统一．5．如果一个点电荷同时受到另外的两个或更多的点电荷的作用力，可由静电力叠加的原理求出合力．6．两个点电荷间的库仑力为相互作用力，同样满足牛顿第三定律．7．库仑定律与万有引力定律的对比.对比万有引力定律库仑定律只有引力既有引力又有斥力不同点天体间表现明显微观带电粒子间表现明显都是场力万有引力场电场公式F＝Gm1m2r2F＝kq1q2r2条件两质点之间两点电荷之间通过对比我们发现，自然界尽管是多种多样的，但仍有规律可循，具有统一的一面．表达简捷的规律，却能揭示自然界中深奥的道理，这就是自然界和谐多样的美．【特别提醒】(1)库仑力和万有引力是不同性质的力．(2)万有引力定律适用时，库仑定律不一定适用．8．当三个共线的点电荷在库仑力作用下均处于平衡状态时：(1)三个电荷的位置关系是“两同夹一异”．如果三个电荷只在库仑力的作用下且在同一直线上能够处于平衡状态，则这三个电荷一定有两个是同性电荷，一个是异性电荷，且两个同性电荷分居在异性电荷的两边．(2)三个电荷中，中间电荷的电荷量最小，两边同性电荷谁的电荷量小，中间异性电荷就距离谁近一些，即“近小远大”．例2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与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．(1)如果q2为正电荷，则q1为________电荷，q3为________电荷．(2)q1、q2、q3三者电荷量的大小之比是___∶____∶____.解析：(1)若q2为正电荷，对q1而言要让其平衡，q3必为负电荷，但对q2而言，q1和q3必为同种电荷，所以q1与q3都为负电荷．(2)由库仑定律和平衡条件知对q1有kq1q2l21＝kq1q3l1＋l22，解得q2q3＝l1l1＋l22，对q3有kq1q3l1＋l22＝kq2q3l22，解得q1q2＝l1＋l2l22，所以q1∶q2∶q3＝l1＋l2l22∶1∶l1＋l2l12．答案：(1)负负(2)l1＋l2l221l1＋l2l12►题后反思库仑力作用下带电体的平衡问题：三个电荷在库仑力作用下处于平衡状态，则三个电荷必在同一直线上，且中间电荷的电性一定与两边电荷的电性相反．2．如图所示，质量均为m的三个带电小球A、B、C放置在光滑绝缘的水平直槽上，A与B间和B与C间距离均为L，A球带电量为QA＝8q，B球带电量为QB＝q，若小球C上加一水平向右的恒力F，恰好使A、B、C三小球保持相对静止，求：(1)外力F的大小；(2)C球所带电荷量QC．【解析】因为A、B、C三球保持相对静止，故有相同的状态，对它们整体研究，由牛顿第二定律有F＝3ma对A分析，可知C电性应与A和B相异，有kQCQA2L2－kQAQBL2＝ma，对B分析有：kQCQBL2＋kQAQBL2＝ma，联立三个方程式求得：QC＝16q，F＝72kq2L2．【答案】(1)F＝72kq2L2(2)QC＝16q1．库仑力的特征(1)真空中两个静止点电荷间相互作用力的大小只跟两个点电荷的电荷量及间距有关，跟它们的周围是否存在其他电荷无关．(2)两个点电荷之间的库仑力同样遵守牛顿第三定律，与两个点电荷的性质、带电多少均无关，即互为作用力与反作用力的两个库仑力总是等大反向．库仑力的叠加2．库仑力的叠加：对于三个或三个以上的点电荷，其中每一个点电荷所受的库仑力，等于其余所有点电荷单独对它作用产生的库仑力的矢量和．电荷间的单独作用符合库仑定律，求两个以上库仑力的矢量和时应用平行四边形定则．例3在光滑绝缘的水平地面上放置着四个相同的金属小球，小球A、B、C位于等边三角形的三个顶点上，小球D位于三角形的中心，如图所示．现让小球A、B、C带等量的正电荷Q，让小球D带负电荷q，使四个小球均处于静止状态，则Q与q的比值为()A．13B．33C．3D．3解析：设三角形边长为L，故AB、AC距离为L，AD距离为33L.以小球A为研究对象，由库仑定律知，B、C对A球的库仑力大小均为F＝kQ2L2，两力的合力大小为F合＝2Fcos30°＝3kQ2L2.球A、D间的库仑力F′＝kqQ33L2＝3kqQL2.根据平衡知识得F合＝F′，即3kQ2L2＝3kqQL2，所以Q＝3q，Q与q的比值为3，D正确．答案：D3．如图，两条绝缘细线一端拴在同一点，另一端分别拴两个带同种电荷的小球A、B，电荷量分别为q1、q2，质量分别为m1、m2，当小球A、B静止时恰好处于同一水平面，两细线与竖直方向的夹角分别为θ1、θ2，则()A．若m1＝m2，则θ1＝θ2B．若m1＞m2，则θ1＞θ2C．若q1＝q2，则θ1＝θ2D．若q1＞q2，则θ1＞θ2【答案】A【解析】对m1、m2受力分析，根据共点力平衡和几何关系得m1g＝F库1cotθ1，m2g＝F库2cotθ2，由于F库1＝F库2，当m1＞m2，则θ1＜θ2，当m1＝m2，则θ1＝θ2.由上分析，可知带电量q1、q2与θ1、θ2的大小无关，故A正确，B、C、D错误．