教科版高中物理选修3-1课件第1章-2

教师用书独具演示2库仑定律●课标要求1．知道点电荷，体会科学研究中的理想模型方法．2．知道两个点电荷间相互作用的规律．3．通过静电力与万有引力的对比，体会自然规律的多样性与统一性．●课标解读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．了解库仑扭秤实验，知道静电力常量．●教学地位本节知识在高考中直接命题的可能性很小，但它是电磁学的基本定律，也是物理学的基本定律之一，是整个电磁学的基础.●新课导入建议在用塑料梳子梳理干燥的头发时，会发现头发会被梳子吸引的飘起来，且梳子离头发越近，头发飘得越高，如果多梳几次，快速靠近头发，头发就会飘得更高，到底梳子和头发间的作用力与哪些因素有关呢？这就是这节课我们要学习的知识．●教学流程设计演示结束课标解读重点难点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.了解库仑扭秤实验，知道静电力常量.1.电荷间相互作用力与距离、电荷量的关系．(重点)2.库仑定律的内容、适用条件及应用．(重点)3.库仑定律适用条件的理解．(难点)探究影响点电荷之间相互作用的因素1．基本知识(1)点电荷：当带电体本身的比它到其他带电体的距离很多，以至在研究它与其他带电体间的相互作用时，该带电体的以及在其上的分布状况均无关紧要，此时可以把该带电体看成一个带电的，这样的电荷称为点电荷．可见点电荷是一个理想化的模型．线度小形状电荷点(2)实验探究：①探究电荷间的作用力的大小跟距离的关系：图1－2－1电荷量不变时，电荷间的距离增大，作用力；距离减小时，作用力．变小变大②探究电荷间作用力的大小跟电荷量的关系：电荷间距离不变时，电荷量增大，作用力；电荷量减小，作用力．(3)探究结果实验探究结果表明：电荷之间的相互作用力随电荷量的增大而，随它们之间距离的增大而．变大变小增大减小2．思考判断(1)点电荷就是体积很小的带电体．(×)(2)实验中电荷之间作用力的大小是通过丝线偏离竖直方向的角度显示的．(√)(3)通过实验，可以确定两个带电体间的作用力的大小取决于两带电体的电荷量和他们之间的距离．(√)3．探究交流如图1－2－2所示，把两个带同种电荷的完全相同的小球挂在细线下端，可看到两球在静电斥力的作用下分开，静止时细线偏离竖直方向θ角．电荷量不变时，两小球距离越近，θ角越大；两小球距离不变时，电荷量越大，θ角越大．你能根据力学知识判断静电力大小的决定因素有哪些吗？图1－2－2【提示】静电力F＝mgtanθ，小球间距离越小，电荷量越大，θ越大，说明静电力F越大，故静电力大小的决定因素有两小球之间的距离，两小球的带电量.库仑定律1.基本知识(1)库仑扭秤实验①当带电球C靠近带电球A，A和C之间的作用力使扭转，通过悬丝扭转的角度可以比较，改变C与A的距离r，可找到F、r间的关系．②通过用相同的金属小球接触A或C，利用两球的特点改变电荷量，这样可找到其作用力与的关系．悬丝力的大小平分电荷电荷量(2)库仑定律的内容适用条件真空中的库仑力大小①与电荷量的成正比②与它们距离的成反比库仑力方向在它们的，吸引或排斥点电荷乘积平方连线上(3)表达式：，k为静电力常量，公式中各量均取国际单位制单位时，k＝N·m2/C2.F＝kQ1Q2r29.0×109(4)库仑力的叠加原理对于两个以上的点电荷，其中每一个点电荷所受的总的库仑力，等于其他点电荷分别单独存在时对该点电荷的作用力的．库仑力的合成和分解仍满足力的平行四边形定则．图1－2－3矢量和2．思考判断(1)真空中的点电荷之间的作用力与它们之间的距离成反比．(×)(2)库仑定律和万有引力定律都遵循距离的平方反比定律．(√)(3)两个带电小球即使相距非常近也能用库仑定律计算库仑力的大小．(×)3．探究交流有同学根据库仑定律的表达式F＝kQ1Q2r2得出当r→0时F→∞，这个结论成立吗？为什么？【提示】不成立，因为当r→0时两带电体已不能看成点电荷，库仑定律已不再成立.对点电荷模型的理解【问题导思】1．“点电荷”与上节讲的“元电荷”有什么区别？2．甲、乙两半径为R的带电小球，两球心相距为3R，当研究它们之间的作用力时，能否把甲、乙两球看做点电荷？3．点电荷是一个物理模型，它类似于力学中的哪个理想化模型？1．点电荷是只有电荷量，没有大小、形状的理想化的模型，类似于力学中的质点，实际中并不存在．2．如果带电体间的距离比它们自身的大小大得多，以至于带电体的形状、大小及电荷分布状况对它们之间相互作用力的影响很小时，就可以忽略形状、大小等次要因素，只保留对问题有关键作用的电荷量，这样处理会使问题大为简化，对结果又没有太大的影响，这是物理学上经常用到的方法．3．一个带电体能否看做点电荷，是相对具体问题而言的，不能单凭其大小和形状确定．例如，一个半径为10cm的带电圆盘，如果考虑它和10m处某个电子的作用力，就完全可以把它看做点电荷，而如果这个电子离圆盘只有1mm，那么这一带电圆盘又相当于一个无限大的带电平面．4．不能将点电荷和元电荷混淆．下面关于点电荷的说法正确的是()A．只有体积很小的带电体才能看成是点电荷B．体积很大的带电体一定不能看成是点电荷C．当两个带电体的大小远小于它们之间的距离时，可将这两个带电体看成是点电荷D．一切带电体都可以看成是点电荷【解析】本题考查对点电荷的理解．带电体能否看做点电荷，和带电体的体积无关，主要看带电体的体积相对所研究的问题是否可以忽略，如果能够忽略，则带电体可以看成是点电荷，否则就不能．【答案】C1．点电荷是只有电荷量，没有大小、形状的理想化模型，它与质点的概念类似，突出了问题的主要因素，为我们研究问题带来了很大的方便．2．形状与大小对相互作用力的影响很小的实际带电体才可看做点电荷，而与带电体的体积大小无关．1．关于点电荷的下列说法中正确的是()A．真正的点电荷是不存在的B．点电荷是一种理想模型C．足够小的电荷就是点电荷D．球形带电体都可以看做点电荷【解析】点电荷是一种理想化模型，带电的形状和大小对研究结果的影响可以忽略时，才可将带电体看作点电荷，并不是由带电体的带电量大小或形状完全决定的，故A、B正确，C、D错误．【答案】AB对库仑定律的理解【问题导思】1．两个带电体间的库仑力大小在任何情况下都能应用库仑定律去求解吗？2．如何确定两电荷间库仑力的方向？3．库仑力和万有引力之间有什么相似之处．1．库仑定律的适用条件(1)真空中，(2)点电荷．2．库仑力是“性质力”库仑力也叫做静电力，是“性质力”而不是“效果力”，它与重力、弹力、摩擦力一样具有自己的特性，同样遵循牛顿第三定律，但不要认为电荷量大的电荷对电荷量小的电荷作用力大．在实际应用时，库仑力与其他力一样，对物体的平衡或运动起着独立的作用，受力分析时不能漏掉．3．库仑定律的应用推广库仑定律给出的虽然是点电荷间的静电力，但是任何一个带电体都可以看成是由许多点电荷组成的．所以，如果知道带电体上的电荷分布，根据库仑定律和平行四边形定则就可以求出带电体间的静电力的大小和方向．4．库仑定律与万有引力定律的对比库仑定律万有引力定律既有引力，又有斥力只有引力不同点微观带电粒子间表现明显天体间表现明显都是场力电场引力场公式F＝kQ1Q2r2F＝Gm1m2r2条件两点电荷之间两质点之间5.静电力的确定方法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．1．库仑定律不但适用于静止电荷，也适用于运动电荷．2．只有采用国际单位制，k的值才是9.0×109N·m2/C2.3．当r→0时，公式F＝kQ1Q2r2不再适用．(2013·凉山高二检测)如图1－2－4所示，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，带等量异种电荷，电荷量为Q，两球间的静电力为下列选项中的哪一个()图1－2－4A．等于kQ29r2B．大于kQ29r2C．小于kQ29r2D．等于kQ2r2【审题指导】两球间距和球本身大小差不多，不能看做是点电荷，所以不能用库仑定律的公式计算，但是可以根据电荷间的相互作用规律作一个定性分析．【解析】由于两带电体带等量异种电荷，电荷间相互吸引，因此电荷在导体球上的分布不均匀，会向正对的一面集中，电荷间的距离就要比3r小．由库仑定律，静电力一定大于kQ29r2，电荷的吸引也不会使电荷全部集中在相距为r的两点上，所以静电力也不等于kQ2r2.正确选项为B.【答案】B导体球在不能看成点电荷时，其作用力只能定性推断，两导体球带同种电荷时F＜kQ1Q2r2，两导体带异种电荷时F＞kQ1Q2r2.2．两个直径为r的带电球，当它们相距100r时的静电力为F，当它们相距r时的静电力为()A.1100FB．104FC．100FD．以上答案均不对【解析】当带电球相距100r时，它们可以当作点电荷，由库仑定律F＝kQ1Q2100r2，而当带电球相距r时，它们不可以再当作点电荷处理．因此，若它们带同种电荷，则F′＜kQ1Q2r2，即F′稍小于104F；若它们带异种电荷，则F′kQ1Q2r2，即F′稍大于104F.故D正确．【答案】D库仑定律的应用【问题导思】1．两电荷间的库仑力的大小由什么因素决定？2．电荷处在两个以上的电场中时，应该怎么求它受到的总库仑力？3．三个电荷平衡问题中，各电荷的受力有什么特点？1．两点电荷间的库仑力(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)两个电荷之间的库仑力同样遵守牛顿第三定律，与两个电荷的性质、带电多少均无关，即作用力与反作用力总是等大反向．2．多个点电荷的静电力叠加对于两个以上的点电荷，其中每一个点电荷所受的总的静电力等于其他点电荷分别单独存在时对该电荷的作用力的矢量和．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”．如图1－2－5所示．在一条直线上有两个相距0.4m的点电荷A、B，A带电荷量为＋Q，B带电荷量为－9Q.现引入第三个点电荷C，恰好使三个点电荷处于平衡状态，问：C应带什么性质的电荷，应放于何处？所带电荷量为多少？图1－2－5【解析】根据平衡条件判断，C应带负电．放在A的左边且和A、B在一条直线上．设C带电荷量为q，与A点相距为x，如图所示．【答案】应为带电荷量为94Q的负电荷，置于A左方115m处1．三个电荷均处于平衡状态，每个电荷所受另外两个电荷的静电力等大反向，相互抵消．2．若两个电荷固定不动，引入第三个电荷且使之平衡时，此时只研究第三个电荷的静电力平衡即可，但此时只对第三个电荷的位置有要求，对第三个电荷的电性，电量均无要求．3．如图1－2－6所示，在光滑绝缘水平面上放置3个电荷量均为q(q0)的相同小球，小球之间用劲度系数均为k0的轻质弹簧绝缘连接．当3个小球处在静止状态时，每根弹簧长度为l.已知静电力常数为k，若不考虑弹簧的静电感应，则每根弹簧的原长为()图1－2－6A．l＋5kq22k0l2B．l－kq2k0l2C．l－5kq24k0l2D．l－5kq22k0l2【解析】取左侧电荷为研究对象，由平衡状态得k0x＝kq2l2＋kq22l2，所以x＝5kq24k0l2，故弹簧原长为l0＝l－x＝l－5kq24k0l2，C选项正确．【答案】C综合解题方略——巧用“对称法”求非点电荷问题一半径为R的绝缘球壳上均匀地带有电荷量为＋Q的电荷，另一电荷量为＋q的点电荷