人教版高中物理必修三 （靜電場(chǎng)及其應(yīng)用-學(xué)科素養(yǎng)提升）新課件

靜電場(chǎng)及其應(yīng)用——學(xué)科素養(yǎng)提升

科學(xué)思維1三個(gè)自由點(diǎn)電荷的平衡問題1.條件：每個(gè)點(diǎn)電荷受到的兩個(gè)庫(kù)侖力必須大小相等，方向相反。2.規(guī)律 “三點(diǎn)共線”——三個(gè)點(diǎn)電荷分布在同一直線上。 “兩同夾異”——正負(fù)電荷相互間隔。 “兩大夾小”——中間電荷的電荷量最小。 “近小遠(yuǎn)大”——中間電荷靠近電荷量較小的電荷。[例1]在真空中有兩個(gè)相距r的點(diǎn)電荷A和B，帶電荷量分別為q1＝－q，q2＝4q。 (1)若A、B固定，在什么位置放入第三個(gè)點(diǎn)電荷q3，可使之處于平衡狀態(tài)？平衡條件中對(duì)q3的電荷量及正負(fù)有無要求？ (2)若以上三個(gè)點(diǎn)電荷皆可自由移動(dòng)，要使它們都處于平衡狀態(tài)，對(duì)q3的電荷量及電性有何要求？

解析(1)q3受力平衡，必須和q1、q2在同一條直線上，因?yàn)閝1、q2帶異號(hào)電荷，所以q3不可能在它們中間。再根據(jù)庫(kù)侖定律，庫(kù)侖力和距離的平方成反比，可推知q3應(yīng)該在q1、q2的連線上，q1的外側(cè)(離帶電荷量少的電荷近一點(diǎn)的地方)，如圖所示。設(shè)q3離q1的距離是x，根據(jù)庫(kù)侖定律和平衡條件列式將q1、q2的已知量代入得x＝r，對(duì)q3的電性和電荷量均沒有要求。(2)要使三個(gè)電荷都處于平衡狀態(tài)，就對(duì)q3的電性和電荷量都有要求，首先q3不能是一個(gè)負(fù)電荷，若是負(fù)電荷，q1、q2都不能平衡，也不能處在它們中間或q2的外側(cè)，設(shè)q3離q1的距離是x。根據(jù)庫(kù)侖定律和平衡條件列式如下：解上述兩方程得q3＝4q，x＝r。答案(1)在q1的外側(cè)距離為r處，對(duì)q3的電性和電荷量均沒有要求(2)電荷量為4q帶正電方法歸納三個(gè)電荷均處于平衡狀態(tài)，每個(gè)電荷所受另外兩個(gè)電荷的靜電力等大反向，相互抵消；三個(gè)電荷一定處在同一條直線上，且必定是兩同一異，異種電荷的電荷量最小且位于中間，距離兩同種電荷中較小的電荷較近?？茖W(xué)思維2巧用“對(duì)稱法”解電場(chǎng)的疊加問題1.技巧：對(duì)稱法求電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)常利用中心對(duì)稱、軸對(duì)稱等。2.方法答案B科學(xué)思維3靜電及靜電屏蔽在科技生活中的應(yīng)用1.命題素材

靜電現(xiàn)象及靜電屏蔽在科技及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，如靜電噴霧、靜電除塵和一些精密的電表或電子設(shè)備外面所套的金屬罩、通信電纜外面包的一層鉛皮，都是用來防止外界電磁場(chǎng)的干擾的。2.信息提取 (1)信息定位：處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)處處為零。這樣，導(dǎo)體殼就可以保護(hù)它所包圍的區(qū)域，使這個(gè)區(qū)域不受外部電場(chǎng)的影響，這種現(xiàn)象叫作靜電屏蔽。(2)物理模型①任意形狀的導(dǎo)體空腔，腔體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)不受腔外電荷的影響，如圖甲。②接地的導(dǎo)體空腔，外部電場(chǎng)不受腔內(nèi)電荷的影響，如圖乙。(3)物理知識(shí)：靜電感應(yīng)、電場(chǎng)的疊加、靜電平衡。(4)結(jié)果討論：在靜電平衡狀態(tài)下，不論是空心導(dǎo)體還是實(shí)心導(dǎo)體，不論導(dǎo)體本身帶電多少，或者導(dǎo)體是否處于外電場(chǎng)中，其內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零。[例3]

(多選)如圖所示為靜電除塵示意圖，在M、N兩點(diǎn)間加高壓電源時(shí)，金屬管內(nèi)的空氣電離，電離出的電子在靜電力的作用下運(yùn)動(dòng)，遇到煙氣中的煤粉，使煤粉帶負(fù)電荷，因而煤粉被吸附到管壁上，排出的煙就清潔了。就此示意圖，下列說法正確的是(

) A.N接電源的正極 B.M接電源的正極 C.電場(chǎng)強(qiáng)度EB＞EA D.電場(chǎng)強(qiáng)度EB＜EA解析電子附著在煤粉上，使煤粉帶上負(fù)電荷，煤粉若能吸附在管壁上，說明管壁帶正電荷，因此可知N接電源正極。金屬棒與金屬管可看成圓柱電極與圓環(huán)電極，電場(chǎng)線分布情況如圖所示。由圖可知金屬棒附近的B點(diǎn)處電場(chǎng)線較密，而靠近金屬管壁的A點(diǎn)處電場(chǎng)線較疏，故B處場(chǎng)強(qiáng)比A處場(chǎng)強(qiáng)大，即EB＞EA。答案AC拓展課靜電場(chǎng)及其綜合應(yīng)用問題

一、兩等量電荷的電場(chǎng)線的特點(diǎn)等量異種點(diǎn)電荷與等量同種點(diǎn)電荷的電場(chǎng)比較電荷種類等量異種點(diǎn)電荷等量同種(正)點(diǎn)電荷電場(chǎng)線分布圖連線上的場(chǎng)強(qiáng)大小O點(diǎn)最小，從O點(diǎn)沿連線向兩邊逐漸變大O點(diǎn)為零，從O點(diǎn)沿連線向兩邊逐漸變大中垂線上的場(chǎng)強(qiáng)大小O點(diǎn)最大，從O點(diǎn)沿中垂線向兩邊逐漸變小O點(diǎn)為零，從O點(diǎn)沿中垂線向兩邊先變大后變小關(guān)于O點(diǎn)對(duì)稱的點(diǎn)A與A′、B與B′的場(chǎng)強(qiáng)等大同向等大反向[例1]如圖所示，一電子沿等量異種電荷的中垂線由A→O→B勻速飛過，電子的重力不計(jì)，則電子所受另一個(gè)力的大小和方向的變化情況是(

) A.先變大后變小，方向水平向左 B.先變大后變小，方向水平向右 C.先變小后變大，方向水平向左 D.先變小后變大，方向水平向右解析等量異種電荷的電場(chǎng)線分布如圖甲所示，由圖中電場(chǎng)線的分布可以看出，從A到O，電場(chǎng)線由疏到密；從O到B，電場(chǎng)線由密到疏，所以從A→O→B，電場(chǎng)強(qiáng)度先由小變大，再由大變小，而電場(chǎng)強(qiáng)度的方向沿電場(chǎng)線的切線方向，為水平向右，如圖乙所示。由于電子處于平衡狀態(tài)，所受的合外力必為零，故另一個(gè)力應(yīng)與電子所受的靜電力大小相等、方向相反。電子所受的靜電力與場(chǎng)強(qiáng)方向相反，即水平向左，電子從A→O→B過程中，靜電力先由小變大，再由大變小，故另一個(gè)力方向應(yīng)水平向右，其大小先變大后變小，所以選項(xiàng)B正確。答案B[針對(duì)訓(xùn)練1]兩個(gè)帶等量正電荷的點(diǎn)電荷如圖所示，O點(diǎn)為兩電荷連線的中點(diǎn)，a點(diǎn)在連線的中垂線上，若在a點(diǎn)由靜止釋放一個(gè)電子，關(guān)于電子的運(yùn)動(dòng)，下列說法正確的是(

) A.電子在從a點(diǎn)向O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過程中，加速度越來越大，速度越來越大 B.電子在從a點(diǎn)向O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過程中，加速度越來越小，速度越來越大 C.電子運(yùn)動(dòng)到O點(diǎn)時(shí)，加速度為零，速度最大 D.電子通過O點(diǎn)后，速度越來越小，加速度越來越大，一直到速度為零解析帶等量正電荷的兩點(diǎn)電荷連線的中垂線上，中點(diǎn)O處的場(chǎng)強(qiáng)為零，沿中垂線從O點(diǎn)向無窮遠(yuǎn)處場(chǎng)強(qiáng)先變大，達(dá)到一個(gè)最大值后，再逐漸減小到零。但a點(diǎn)與最大場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)的位置關(guān)系不能確定，電子在從a點(diǎn)向O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過程中，當(dāng)a點(diǎn)在最大場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)的上方時(shí)，加速度先增大后減?。划?dāng)a點(diǎn)在最大場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)的下方時(shí)，電子的加速度則一直減小，故A、B錯(cuò)誤；但不論a點(diǎn)的位置如何，電子在向O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過程中，都在做加速運(yùn)動(dòng)，所以電子的速度一直增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)O點(diǎn)時(shí)，加速度為零，速度達(dá)到最大值，C正確；通過O點(diǎn)后，電子的運(yùn)動(dòng)方向與場(chǎng)強(qiáng)的方向相同，與所受靜電力方向相反，故電子做減速運(yùn)動(dòng)，由能量守恒定律得，當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)到與a點(diǎn)關(guān)于O點(diǎn)對(duì)稱的b點(diǎn)時(shí)，電子的速度為零。同樣因b點(diǎn)與最大場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)的位置關(guān)系不能確定，故加速度大小的變化不能確定，D錯(cuò)誤。答案C二、帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)問題的分析1.帶電粒子做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，合力指向軌跡曲線的內(nèi)側(cè)，速度方向沿軌跡的切線方向。2.方法 (1)根據(jù)帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的彎曲方向，判斷帶電粒子所受靜電力的方向。 (2)把電場(chǎng)線方向、靜電力方向與電性相聯(lián)系進(jìn)行分析。 (3)把電場(chǎng)線的疏密和靜電力大小、加速度大小相聯(lián)系進(jìn)行分析。 (4)把靜電力做的功與能量的變化相聯(lián)系進(jìn)行分析。[例2]如圖所示，實(shí)線為不知方向的三條電場(chǎng)線，從電場(chǎng)中M點(diǎn)以相同速度垂直于電場(chǎng)線方向飛出a、b兩個(gè)帶電粒子，僅在靜電力作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖中虛線所示。則(

) A.a一定帶正電，b一定帶負(fù)電 B.a的速度將減小，b的速度將增大 C.a的加速度將減小，b的加速度將增大 D.兩個(gè)粒子的動(dòng)能，一個(gè)增大一個(gè)減小解析帶電粒子做曲線運(yùn)動(dòng)，所受靜電力的方向指向軌跡的內(nèi)側(cè)，由于電場(chǎng)線的方向未知，所以粒子帶電性質(zhì)不確定，故A錯(cuò)誤；從題圖軌跡變化來看，速度與力方向的夾角都小于90°，所以靜電力都做正功，動(dòng)能都增大，速度都增大，故B、D錯(cuò)誤；電場(chǎng)線密的地方電場(chǎng)強(qiáng)度大，電場(chǎng)線疏的地方電場(chǎng)強(qiáng)度小，所以a受力減小，加速度減小，b受力增大，加速度增大，故C正確。答案C關(guān)鍵提醒分析帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡問題時(shí)應(yīng)注意的三點(diǎn)(1)做曲線運(yùn)動(dòng)的帶電粒子所受合外力方向指向曲線的凹側(cè)。(2)速度方向沿軌跡的切線方向。(3)粒子軌跡一定夾在合外力方向與速度方向之間。[針對(duì)訓(xùn)練2]如圖所示，實(shí)線表示電場(chǎng)線，虛線表示帶電粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡，帶電粒子只受靜電力作用，運(yùn)動(dòng)過程中速度逐漸減小，下列各圖是對(duì)它在b處時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向與受力方向的分析，正確的是(

)解析帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度沿軌跡切線方向，受力方向與電場(chǎng)線在同一直線上，靜電力指向軌跡彎曲的內(nèi)側(cè)，B、C錯(cuò)誤；由于運(yùn)動(dòng)過程中速度逐漸減小，則靜電力做負(fù)功，A正確，D錯(cuò)誤。答案A三、電場(chǎng)中的平衡問題

帶電體在多個(gè)力作用下處于平衡狀態(tài)，物體所受合外力為零，因此可用共點(diǎn)力平衡的知識(shí)分析，常用的方法有正交分解法、合成法等。[例3]豎直放置的兩塊足夠長(zhǎng)的平行金屬板間有勻強(qiáng)電場(chǎng)，其電場(chǎng)強(qiáng)度為E。在該勻強(qiáng)電場(chǎng)中，用絲線懸掛質(zhì)量為m的帶電小球。絲線跟豎直方向成θ角時(shí)小球恰好平衡，小球與右側(cè)金屬板相距為b，如圖所示。求： (1)小球所帶電荷量q是多少？ (2)若剪斷絲線，小球碰到金屬板需多長(zhǎng)時(shí)間？解析(1)由于小球處于平衡狀態(tài)，對(duì)小球進(jìn)行受力分析如圖所示。Tsinθ＝qE，Tcosθ＝mg，[針對(duì)訓(xùn)練3](2019·全國(guó)卷Ⅰ，15)如圖，空間存在一方向水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)，兩個(gè)帶電小球P和Q用相同的絕緣細(xì)繩懸掛在水平天花板下，兩細(xì)繩都恰好與天花板垂直，則(

) A.P和Q都帶正電荷 B.P和Q都帶負(fù)電荷 C.P帶正電荷，Q帶負(fù)電荷 D.P帶負(fù)電荷，Q帶正電荷答案D解析細(xì)繩豎直，把P、Q看作整體，在水平方向所受電場(chǎng)力為零，所以P、Q必帶等量異種電荷，選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；如果P、Q帶不同性質(zhì)的電荷，受力如圖甲、乙所示，由圖知，若P帶正電荷，Q帶負(fù)電荷，水平方向的合力不為零；若P帶負(fù)電荷、Q帶正電荷，符合題意，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，D正確。四、電場(chǎng)中的動(dòng)力學(xué)問題[例4]如圖所示，一質(zhì)量為m＝1.0×10－2kg、帶電荷量大小為q＝1.0×10－6C的小球，用絕緣細(xì)線懸掛在水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，假設(shè)電場(chǎng)足夠大，靜止時(shí)懸線向左與豎直方向夾角為θ＝37°。小球在運(yùn)動(dòng)過程中電荷量保持不變，重力加速度g取10m/s2。求：(sin37°＝0.6，cos37°＝0.8) (1)電場(chǎng)強(qiáng)度E的大?。?(2)若在某時(shí)刻將細(xì)線突然剪斷，求經(jīng)過1s時(shí)小球的速度大小v及方向。解析(1)由