2020-2021學(xué)年高中物理 第一章 靜電場(chǎng)的描述 第二節(jié) 庫(kù)侖定律學(xué)案 粵教版必修3

1、2020-2021學(xué)年高中物理 第一章 靜電場(chǎng)的描述 第二節(jié) 庫(kù)侖定律學(xué)案 粵教版必修32020-2021學(xué)年高中物理 第一章 靜電場(chǎng)的描述 第二節(jié) 庫(kù)侖定律學(xué)案 粵教版必修3年級(jí)：姓名：- 17 -第二節(jié)庫(kù) 侖 定 律新 課 程 標(biāo) 準(zhǔn)學(xué) 業(yè) 質(zhì) 量 目 標(biāo)1.知道點(diǎn)電荷模型。2.知道兩個(gè)點(diǎn)電荷間相互作用的規(guī)律。3.體會(huì)探究庫(kù)侖定律過(guò)程中的科學(xué)思維方法。合格性考試1.知道點(diǎn)電荷的概念。2.理解庫(kù)侖定律的內(nèi)容、公式及適用條件。選擇性考試1.通過(guò)抽象概括建立點(diǎn)電荷這種理想化模型。2.進(jìn)一步了解控制變量法在實(shí)驗(yàn)中的作用。3.經(jīng)歷探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程,得出電荷間作用力與電荷量及電荷間距離的定性關(guān)系。必備知識(shí)

2、自主學(xué)習(xí)一、點(diǎn)電荷如圖,“嫦娥三號(hào)”月球探測(cè)器升空過(guò)程中與大氣摩擦產(chǎn)生了大量的靜電。(1)在研究“嫦娥三號(hào)”與地球的電場(chǎng)力時(shí),能否把“嫦娥三號(hào)”看成點(diǎn)電荷?(2)研究點(diǎn)電荷有什么意義?提示:(1)能(2)點(diǎn)電荷是理想化模型,實(shí)際中并不存在,是人們抓住主要因素、忽略次要因素抽象出的物理模型。1.定義:可以抽象成一個(gè)幾何點(diǎn)的帶電體。2.特點(diǎn):(1)本身的大小比它到其他帶電體的距離小得多。(2)研究它與其他帶電體的相互作用時(shí),可以忽略電荷在帶電體上的具體分布情況。(3)點(diǎn)電荷是一種理想化的物理模型,和力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)模型一樣,是一種科學(xué)的抽象模型。3.理想化模型:當(dāng)研究對(duì)象受多個(gè)因素影響時(shí),在一定條件下

3、人們可以抓住主要因素,忽略次要因素,將研究對(duì)象抽象為理想化模型,從而使問(wèn)題的處理大為簡(jiǎn)化。二、探究影響電場(chǎng)力的因素如圖所示,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。此實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是什么?提示: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(méi)有改變電性和電荷量,不能研究電荷之間作用力和電性、電荷量的關(guān)系,故得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是:電荷之間作用力的大小與兩電荷間的距離有關(guān)。1.實(shí)驗(yàn)原理:(1)輕質(zhì)小球的偏角大小反映電場(chǎng)力的大小

4、。(2)研究電場(chǎng)力與距離和電荷量的關(guān)系,要采用控制變量法。2.實(shí)驗(yàn)探究:(1)使小球a、b、c帶同種電荷且qb=qc,使racrab,觀察到小球b的偏角大于小球c的偏角。結(jié)論:q一定時(shí),r越大,f越小;r越小,f越大。(2)使a、b兩球帶同種電荷,c球不帶電,且保持rab一定,讓c球與b球接觸后再移走c球,觀察到b的偏角變小。結(jié)論:r一定時(shí),q越小,f越小。(3)總結(jié):電場(chǎng)力f的大小與帶電體的電荷量q及帶電體間的距離r都有關(guān)。q越大,r越小,則f越大;反之則f越小。三、庫(kù)侖定律1.庫(kù)侖定律:(1)內(nèi)容:在真空中兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的作用力,跟它們的電荷量的乘積成正比,跟它們間的距離的二次方成反比。作

5、用力的方向在它們的連線上。(2)公式:f=k。其中k=9.0109 nm2/c2,叫電場(chǎng)力常量。(3)適用條件:真空中;點(diǎn)電荷。2.庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)力f與距離r的二次方成反比。(2)庫(kù)侖在實(shí)驗(yàn)中為研究f與q的關(guān)系,采用的是用兩個(gè)完全相同的金屬小球接觸后電荷量平分的方法,發(fā)現(xiàn)f與q1和q2的乘積成正比。(1)只有電荷量很小的帶電體才能看成點(diǎn)電荷。()(2)當(dāng)兩個(gè)帶電體的大小遠(yuǎn)小于它們之間的距離時(shí),可將這兩個(gè)帶電體看成點(diǎn)電荷。()(3)小球所帶電荷量不變時(shí),距離帶電物體越遠(yuǎn),絲線偏離豎直方向的角度越大。()(4)小球處于同一位置時(shí),小球所帶的電荷量越大,絲線偏離豎直方向的角度越大

6、。()(5)電荷間的作用力隨電荷量的增大而增大,隨電荷間距離的增大而增大。()(6)探究電荷間的作用力與某一因素的關(guān)系時(shí),必須采用控制變量法。()(7)若點(diǎn)電荷q1的電荷量大于q2的電荷量,則q1對(duì)q2的電場(chǎng)力大于q2對(duì)q1的電場(chǎng)力。()關(guān)鍵能力合作學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)一點(diǎn)電荷模型1.點(diǎn)電荷是只有電荷量,沒(méi)有大小、形狀的理想化模型,類似于力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn),實(shí)際中并不存在。2.帶電體能否看成點(diǎn)電荷視具體問(wèn)題而定,不能單憑它的大小和形狀下結(jié)論。如果帶電體的大小比帶電體間的距離小得多,則帶電體的大小及形狀就可以忽略,此時(shí)帶電體就可以看成點(diǎn)電荷。某次物理活動(dòng)中,甲、乙兩位同學(xué)探討點(diǎn)電荷的對(duì)話如下:甲:“由于帶電體a

7、的體積很小,故它一定是點(diǎn)電荷?！币?“由于帶電體b的帶電量很小,故它一定是點(diǎn)電荷?！?1)甲、乙兩位同學(xué)的觀點(diǎn),你認(rèn)為誰(shuí)的正確?為什么?(2)什么是點(diǎn)電荷?現(xiàn)實(shí)中有點(diǎn)電荷嗎?提示:(1)甲、乙兩位同學(xué)的觀點(diǎn)都不正確,當(dāng)帶電體的大小、形狀可以忽略不計(jì)時(shí),該帶電體就可以看作點(diǎn)電荷,一個(gè)帶電體能否看作點(diǎn)電荷,不能只看它的體積大小,也不能看它的帶電量多少。(2)點(diǎn)電荷是一種理想化模型,它是不計(jì)大小的帶電體,現(xiàn)實(shí)中顯然不存在?！镜淅肯铝嘘P(guān)于點(diǎn)電荷的說(shuō)法中正確的是()a.體積很大的帶電體一定不是點(diǎn)電荷b.點(diǎn)電荷就是電荷量和體積都很小的帶電體c.當(dāng)兩個(gè)帶電體的大小、形狀對(duì)它們之間相互作用力的影響可以忽略時(shí)

8、,這兩個(gè)帶電體可以看作點(diǎn)電荷d.球形帶電體一定可以看作點(diǎn)電荷【解析】選c。點(diǎn)電荷是實(shí)際帶電體的抽象,是一種理想化模型,帶電體能否視為點(diǎn)電荷,不能以體積大小、電荷多少來(lái)判斷,而是以具體情況而定,在測(cè)量精度要求的范圍內(nèi),帶電體的形狀、大小等因素可以忽略時(shí),即可視為點(diǎn)電荷,c正確。帶電體視為點(diǎn)電荷的條件(1)帶電體間的距離比它們自身的大小大很多。(2)帶電體的大小、形狀及電荷分布對(duì)相互作用力的影響可忽略不計(jì)。下面關(guān)于點(diǎn)電荷的說(shuō)法中正確的是()a.點(diǎn)電荷的帶電量一定是1.6010-19 cb.實(shí)際存在的電荷都是點(diǎn)電荷c.點(diǎn)電荷是理想化的物理模型d.只有球形帶電體才可看成是點(diǎn)電荷【解析】選c。點(diǎn)電荷是將

9、帶電物體簡(jiǎn)化為一個(gè)帶電的點(diǎn),元電荷是電量的最小值,點(diǎn)電荷的值可以等于元電荷,也可以是元電荷的整數(shù)倍,即點(diǎn)電荷的電荷量可多可少,故a錯(cuò)誤;在研究帶電體間的相互作用時(shí),帶電體的尺寸遠(yuǎn)小于它們之間的距離時(shí),才可把帶電體看成點(diǎn)電荷,并不是所有電荷都可以看成點(diǎn)電荷,故b錯(cuò)誤;點(diǎn)電荷是理想化的物理模型,故c正確;任何形狀的帶電體在距離足夠大的情況下都可以看成是點(diǎn)電荷,故d錯(cuò)誤?！炯庸逃?xùn)練】對(duì)點(diǎn)電荷的理解,以下說(shuō)法正確的是()a.在一定條件下實(shí)際帶電體可看作點(diǎn)電荷,因此,有時(shí)點(diǎn)電荷是實(shí)際存在的b.形狀不規(guī)則且體積很大的帶電體有時(shí)也能看作點(diǎn)電荷c.點(diǎn)電荷就是指電子或帶有電子電量的帶電體d.只有在帶電體的大小達(dá)

10、到粒子的大小時(shí)才可以看作點(diǎn)電荷【解析】選b。只有在帶電體的形狀和大小對(duì)所研究的問(wèn)題沒(méi)有影響或影響可以忽略不計(jì)的情況下,才可將帶電體看作點(diǎn)電荷。點(diǎn)電荷是一種理想化的模型,實(shí)際生活中并不存在,選項(xiàng)b正確,a、d錯(cuò)誤;是否將帶電體看作點(diǎn)電荷與其帶電量無(wú)關(guān),對(duì)帶電體的帶電量沒(méi)有定量的要求,c錯(cuò)誤。知識(shí)點(diǎn)二對(duì)庫(kù)侖定律的理解1.庫(kù)侖力的確定方法:(1)大小計(jì)算:利用庫(kù)侖定律計(jì)算電場(chǎng)力大小時(shí),不必將表示電性的正、負(fù)號(hào)代入公式,只代入q1、q2的絕對(duì)值即可。(2)方向判斷:利用同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引來(lái)判斷。2.兩個(gè)點(diǎn)電荷間的庫(kù)侖力:(1)真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷間相互作用力的大小只跟兩個(gè)電荷的電荷量及

11、間距有關(guān),跟它們的周圍是否存在其他電荷無(wú)關(guān)。(2)兩個(gè)電荷之間的庫(kù)侖力同樣遵守牛頓第三定律,與兩個(gè)電荷的性質(zhì)、帶電多少均無(wú)關(guān),即作用力與反作用力總是等大反向。3.兩個(gè)帶電球體間的庫(kù)侖力:(1)兩個(gè)規(guī)則的均勻帶電球體,相距比較遠(yuǎn)時(shí),可以看成點(diǎn)電荷,也適用庫(kù)侖定律,球心間的距離就是二者的距離。(2)兩個(gè)規(guī)則的帶電球體相距比較近時(shí),不能被看作點(diǎn)電荷,此時(shí)兩帶電球體之間的作用距離會(huì)隨所帶電荷量的改變而改變,即電荷的分布會(huì)發(fā)生改變。若帶同種電荷時(shí),如圖(a),由于排斥而距離變大,此時(shí)fk。提醒:兩個(gè)電荷間的距離r0時(shí),兩電荷已失去了點(diǎn)電荷的前提條件,所以違背了庫(kù)侖定律的適用條件,不能再運(yùn)用庫(kù)侖定律計(jì)算兩

12、電荷間的相互作用力,因此不能認(rèn)為f。有兩個(gè)完全相同的金屬小球a、b(它們的大小可忽略不計(jì)),a帶電荷量7q,b帶電荷量為-q,當(dāng)a、b在真空中相距為r時(shí),兩球之間的庫(kù)侖力為f。探討:(1)若用絕緣工具使a、b相距2r,則兩球的庫(kù)侖力變?yōu)槎嗌?(2)若用絕緣工具使a、b兩球相互接觸后再放回原處,則兩球的庫(kù)侖力變?yōu)槎嗌?提示:(1)(2)f【典例】甲、乙兩導(dǎo)體球,甲球帶有4.810-16 c的正電荷,乙球帶有3.210-16 c的負(fù)電荷,放在真空中相距為10 cm的地方,甲、乙兩球的半徑遠(yuǎn)小于10 cm。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)(1)試求兩個(gè)導(dǎo)體球之間的電場(chǎng)力,并說(shuō)明是引力還是斥力。(2)如果兩個(gè)

13、導(dǎo)體球完全相同,接觸后放回原處,兩球之間的作用力如何?【解析】(1)因?yàn)閮蓚€(gè)導(dǎo)體球的半徑都遠(yuǎn)小于10 cm,因此可以作為兩個(gè)點(diǎn)電荷考慮。由庫(kù)侖定律有f=k=9.0109 n1.3810-19 n。兩個(gè)導(dǎo)體球帶異種電荷,它們之間的作用力是引力。(2)如果兩個(gè)導(dǎo)體球完全相同,則電荷先中和后平分,帶同種電荷,每個(gè)小球的帶電荷量為810-17 c,代入數(shù)據(jù)得兩個(gè)導(dǎo)體球之間的斥力為f=5.7610-21 n。答案:(1)1.3810-19 n引力(2)5.7610-21 n斥力1.(母題追問(wèn))在【典例】中,將兩個(gè)體積不同的導(dǎo)體球相互接觸后再放回原處,其作用力能求出嗎?【解析】?jī)蓚€(gè)體積不同的導(dǎo)體球相互接觸

14、后,正負(fù)電荷相互中和,剩余的電荷要在兩球間分配,由于兩球不同,分配電荷的電荷量將不相等,因而無(wú)法求出兩球間的作用力。答案:不能2.如圖所示,質(zhì)量分別為ma和mb的兩小球帶有同種電荷,電荷量分別為qa和qb,用絕緣細(xì)線懸掛在天花板上。平衡時(shí),兩小球恰處于同一水平位置,細(xì)線與豎直方向間夾角分別為1與2(12)。兩小球突然失去各自所帶電荷后開(kāi)始擺動(dòng),最大速度分別為va和vb,最大動(dòng)能分別為eka和ekb。則()a.mamb=tan1tan2b.qaqb=11c.vavb=d.ekaekb=tantan【解析】選d。對(duì)a球進(jìn)行受力分析可知,a所受到的庫(kù)侖力大小為f=magtan1,同理b受到的庫(kù)侖力為

15、f=mbgtan2兩球間的庫(kù)侖力大小相等、方向相反,因此mamb=tan2tan1,a錯(cuò)誤;兩個(gè)小球間的庫(kù)侖力總是大小相等,與兩小球帶電量大小無(wú)關(guān),因此無(wú)法求出兩球間電量的關(guān)系,b錯(cuò)誤;由于兩球處于同一高度,則l1cos1=l2cos2=h,又由于兩球下擺的過(guò)程中,機(jī)械能守恒,則mgl(1-cos)=ek=mv2 由聯(lián)立可得=,由聯(lián)立利用三角函數(shù)關(guān)系可得=,c錯(cuò)誤,d正確?！炯庸逃?xùn)練】如圖所示,懸掛在o點(diǎn)的一根不可伸長(zhǎng)的絕緣細(xì)線下端有一個(gè)所帶電荷量不變的小球a。在兩次實(shí)驗(yàn)中,均緩慢移動(dòng)另一帶同號(hào)電荷的小球b,當(dāng)b到達(dá)懸點(diǎn)o的正下方并與a在同一水平線上時(shí),a處于受力平衡狀態(tài),懸線偏離豎直方向的角

16、度為。若兩次實(shí)驗(yàn)中b的電荷量分別為q1和q2,分別為30和45,則為()a.2b.3c.d.3【解析】選c。小球a受力平衡,根據(jù)解三角形可得a球所受的庫(kù)侖力f=mgtan,當(dāng)角度為30時(shí)有:k=mgtan30,當(dāng)角度為45時(shí)有:k=mgtan45,聯(lián)立解得:=,故c正確,a、b、d錯(cuò)誤。知識(shí)點(diǎn)三庫(kù)侖力的計(jì)算1.對(duì)于三個(gè)或三個(gè)以上的點(diǎn)電荷,其中每一個(gè)點(diǎn)電荷所受的庫(kù)侖力等于其余所有點(diǎn)電荷單獨(dú)對(duì)它作用產(chǎn)生的庫(kù)侖力的矢量和。2.電荷間的單獨(dú)作用符合庫(kù)侖定律,求各庫(kù)侖力的矢量和時(shí)應(yīng)用平行四邊形定則。3.處理點(diǎn)電荷的平衡問(wèn)題及動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的方法:(1)確定研究對(duì)象。如果有幾個(gè)物體相互作用時(shí),要依據(jù)題意,適當(dāng)

17、選取“整體法”或“隔離法”。(2)對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行受力分析,不要忘記庫(kù)侖力(f=k)。注意庫(kù)侖力的大小、方向的變化。(3)列平衡方程(f合=0或fx=0,fy=0)。(4)對(duì)于非平衡問(wèn)題由牛頓第二定律f合=ma進(jìn)行求解?！镜淅咳鐖D所示,質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電小球a用絕緣細(xì)線懸掛于o點(diǎn),電荷量也為q的小球b固定在o點(diǎn)正下方絕緣柱上。絕緣細(xì)線長(zhǎng)為l,o點(diǎn)與小球b的間距為l,當(dāng)小球a平衡時(shí),細(xì)線與豎直方向的夾角=30。帶電小球a、b均可視為點(diǎn)電荷,電場(chǎng)力常量為k。則()a.a、b間庫(kù)侖力大小f=b.a、b間庫(kù)侖力大小f=c.細(xì)線拉力大小ft=d.細(xì)線拉力大小ft=mg【解析】選b。帶電小球a受力

18、如圖所示,oc=l,即c點(diǎn)為ob中點(diǎn),由圖可知ab=l。由庫(kù)侖定律知a、b間庫(kù)侖力大小f=,細(xì)線拉力ft=f=,選項(xiàng)a、c錯(cuò)誤;根據(jù)平衡條件得fcos30=mg,得f=,繩子拉力ft=,選項(xiàng)b正確,d錯(cuò)誤。如圖所示,有三個(gè)點(diǎn)電荷a、b、c位于一個(gè)等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上,已知a、b都帶正電荷,a所受b、c兩個(gè)電荷的電場(chǎng)力的合力如圖中fa所示,則下列說(shuō)法正確的是()a.c帶正電,且qcqbc.c帶負(fù)電,且qcqb【解析】選c。因a、b都帶正電,所以電場(chǎng)力表現(xiàn)為斥力,即b對(duì)a的作用力沿ba的延長(zhǎng)線方向,不論c帶正電還是帶負(fù)電,a和c的作用力方向都必須在ac連線上,由平行四邊形定則知,合力必定為以兩個(gè)

19、分力為鄰邊所做平行四邊形的對(duì)角線,所以a和c之間必為引力,且fcafba,所以c帶負(fù)電,且qcm2,則12b.若m1=m2,則1=2c.若m12d.若q1=q2,則1=2【解析】選b、c。以m1為研究對(duì)象,對(duì)m1受力分析如圖所示。由共點(diǎn)力平衡得tsin1=f庫(kù)tcos1=m1g由得tan1=,同理tan2=,因?yàn)椴徽搎1、q2大小如何,兩帶電小球所受庫(kù)侖力屬于作用力與反作用力,永遠(yuǎn)相等,故從tan=知,m大,則tan小,也小(2b.小球n帶正電,12d.小球n帶負(fù)電,12,故a正確,b、c、d錯(cuò)誤,故選a?！炯庸逃?xùn)練】(2020大連高二檢測(cè))如圖所示,在粗糙絕緣的水平面上有一物體a帶正電,另一

20、帶正電的物體b沿著以a為圓心的圓弧由p到q緩慢地從a的正上方經(jīng)過(guò),若此過(guò)程中a始終保持靜止,a、b兩物體可視為質(zhì)點(diǎn)且只考慮它們之間有庫(kù)侖力的作用,則下列說(shuō)法正確的是()a.物體a受到地面的支持力先增大后減小b.物體a受到地面的支持力保持不變c.物體a受到地面的摩擦力先增大后減小d.庫(kù)侖力對(duì)物體b先做正功后做負(fù)功【解析】選a。當(dāng)物體b由p點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的過(guò)程中,物體a受力如圖甲所示,由平衡條件得,水平方向fsin-ff=0,豎直方向fn-fcos-mg=0,解得fn=mg+fcos,ff=fsin,由于g與f不變,逐漸減小為零,因而支持力fn逐漸變大,ff逐漸變小。當(dāng)物體b由最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到q點(diǎn)的過(guò)程中,物體a受力如圖乙所