教科版 (2019)必修 第三冊2 庫侖定律多媒體教學(xué)ppt課件

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1.了解探究電荷間作用力與電荷量及電荷間距離的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)過程。2.知道點(diǎn)電荷的概念。3.理解庫侖定律的內(nèi)容、公式及適用條件,會用庫侖定律進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算。4.了解庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)。
1.通過對點(diǎn)電荷概念、庫侖定律內(nèi)容及適用條件的理解形成物理觀念。2.經(jīng)歷探究過程,得出電荷間作用力與電荷量及電荷間距離的定性關(guān)系,形成科學(xué)探究方法。3.通過對點(diǎn)電荷這種理想化模型、控制變量法在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用等的理解,形成科學(xué)思維。
一、探究影響點(diǎn)電荷之間相互作用力的因素1.點(diǎn)電荷:當(dāng)一個帶電體本身的大小比它到其他帶電體的距離小很多,以至在研究它與其他帶電體的相互作用力時,該帶電體的形狀、大小以及電荷在其上的分布情況均可忽略,可將它看作一個帶電的點(diǎn),這樣的電荷稱為點(diǎn)電荷。
2.探究過程:把一個帶正電荷QA的球體A放在可以水平移動的絕緣支座上。再把一個帶正電荷QB的小球B用絕緣絲線固定在玻璃棒上的C點(diǎn)(使兩個球心在同一水平線上)。
(1)球A向右移動過程中,小球B的懸線逐漸偏離豎直方向,說明兩球間的相互作用力變大。(2)保持A、B之間距離不變,增大其中一球的電荷量,發(fā)現(xiàn)小球B的懸線偏離豎直方向的夾角變大,說明兩球的電荷量越大,相互作用力越大。
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)論:帶電體之間的相互作用力隨電荷量的增大而增大,隨它們之間距離的增大而減小。4.此探究過程用到的物理方法是什么?提示:控制變量法。
二、庫侖定律及初步應(yīng)用1.庫侖定律(1)內(nèi)容:真空中兩個靜止的點(diǎn)電荷之間的作用力與這兩個電荷所帶電荷量的乘積成正比,與它們之間距離的平方成反比,作用力的方向沿著這兩個點(diǎn)電荷的連線。
(2)公式:F=k ,其中k=9.0×109 N·m2/C2,叫作靜電力常量。
2.庫侖定律的初步應(yīng)用靜電力的疊加:兩個或兩個以上點(diǎn)電荷對某一個點(diǎn)電荷的作用力,等于各點(diǎn)電荷單獨(dú)對這個點(diǎn)電荷的作用力的矢量和。3.當(dāng)兩個帶電體的電荷量不一樣大時,是否電荷量大的帶電體受到另一個帶電體的靜電力大?提示:一樣大,兩帶電體間的靜電力遵守牛頓第三定律。
【思考討論】 1.判斷下列說法的正誤。(1)探究電荷間的作用力與某一因素的關(guān)系時,必須采用控制變量法。(　　)(2)實(shí)驗(yàn)表明電荷之間的作用力一定和電荷間的距離成反比。(　　)(3)只有電荷量很小的帶電體才能看成點(diǎn)電荷。(　　)(4)當(dāng)兩個帶電體的大小遠(yuǎn)小于它們之間的距離時,可將這兩個帶電體看成點(diǎn)電荷。(　　)(5)點(diǎn)電荷是一個帶有電荷的點(diǎn),它是實(shí)際帶電體的抽象,是一種理想化模型。(　　)
2.真空中兩個點(diǎn)電荷,它們之間的靜電力為F,如果將兩個點(diǎn)電荷的距離增大為原來的4倍,電荷量都增大為原來的2倍,它們之間靜電力的大小變?yōu)樵瓉淼摹　　　　?
提示:仔細(xì)觀察,我們會發(fā)現(xiàn)它們有驚人的相似:兩個公式中都有r2,即兩種力都與距離的二次方成反比;兩個公式中都有與作用力有關(guān)的物理量(電荷量或質(zhì)量)的乘積,且兩種力都與乘積成正比;這兩種力的方向都在兩個物體的連線上。對靜電力與萬有引力進(jìn)行比較,我們可以看到,自然規(guī)律既具有多樣性,又具有統(tǒng)一性。
(2)有人根據(jù)庫侖定律的表達(dá)式F=k 得到:當(dāng)兩電荷之間的距離r→0時,兩電荷之間的庫侖力F→∞,這樣對嗎?
提示:不對。庫侖定律的適用條件是真空中靜止的點(diǎn)電荷,當(dāng)r→0時,兩個電荷已經(jīng)不能再看成點(diǎn)電荷了,也就不能運(yùn)用庫侖定律計(jì)算電荷之間的相互作用力。
如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置為庫侖扭秤。細(xì)懸絲的下端懸掛一根絕緣棒,棒的一端是一個帶電的金屬小球A,另一端有一個不帶電的球B,B與A所受的重力平衡,當(dāng)把另一個帶電的金屬球C放入容器并使它靠近A時,A和C之間的作用力使懸絲扭轉(zhuǎn),通過懸絲扭轉(zhuǎn)的角度可以比較力的大小,便可找到力F與距離r和電荷量q的關(guān)系。試分析這一實(shí)驗(yàn)中用到了哪些方法。
提示:把微弱的庫侖力轉(zhuǎn)換放大成可以看得到的扭轉(zhuǎn)角度,并通過扭轉(zhuǎn)角度的大小找出力和距離的關(guān)系,是微小量放大法;保持電荷量不變,改變A和C的距離可得到F和r的關(guān)系,保持A和C的距離不變,改變電荷量q可得到F和q的關(guān)系,這是控制變量法。故該實(shí)驗(yàn)用到的方法有微小量放大法和控制變量法。
1.對點(diǎn)電荷的理解(1)點(diǎn)電荷是理想化的物理模型。點(diǎn)電荷是只有電荷量,沒有大小、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)帶電體看成點(diǎn)電荷的條件。①一個帶電體能否看成點(diǎn)電荷,要看它本身的大小是否比它們之間的距離小得多。即使是比較大的帶電體,只要它們之間的距離足夠大,也可以視為點(diǎn)電荷。
②帶電體能否看成點(diǎn)電荷,不是只與它們的大小與距離有關(guān),還與問題所要求的精度有關(guān)。在測量精度要求的范圍內(nèi),帶電體的形狀及大小對相互作用力的影響可以忽略不計(jì)時,帶電體就可以看成點(diǎn)電荷。
2.對庫侖定律的理解(1)對庫侖定律的理解。①庫侖定律僅適用于真空中的兩個點(diǎn)電荷相互作用的理想情況。有人根據(jù)F=k 推出當(dāng)r→0時,F→∞,從數(shù)學(xué)角度分析是正確的,但從物理意義上分析,這種看法是錯誤的,因?yàn)楫?dāng)r→0時,兩帶電體已不能看作點(diǎn)電荷,庫侖定律及其公式也就不再適用。②庫侖定律除了計(jì)算庫侖力的大小,還可以判斷庫侖力的方向。③只有采用國際單位制,k的值才是9.0×109 N·m2/C2。④如果一個點(diǎn)電荷同時受到兩個或更多的點(diǎn)電荷的作用力,可以根據(jù)力的合成法則求合力。
(2)關(guān)于庫侖力的計(jì)算。①明確研究對象Q1、Q2,特別是電性和電荷量的關(guān)系。②明確Q1、Q2之間的距離r。③根據(jù)庫侖定律F=k 列方程。④根據(jù)同種電荷相斥、異種電荷相吸確定力的方向。
3.庫侖定律的兩個應(yīng)用(1)應(yīng)用庫侖定律計(jì)算兩個可視為點(diǎn)電荷的帶電體間的庫侖力。(2)應(yīng)用庫侖定律分析兩個帶電球體間的庫侖力。①兩個規(guī)則的均勻帶電球體,相距比較遠(yuǎn)時,可以看成點(diǎn)電荷,庫侖定律也適用,二者間的距離就是球心間的距離。
②兩個規(guī)則的帶電金屬球體相距比較近時,不能被看成點(diǎn)電荷,此時兩帶電球體之間的作用距離會隨電荷的分布發(fā)生改變。如圖(a)所示,若帶同種電荷,由于排斥而使作用距離變大,此時Fk 。
【例題1】 關(guān)于庫侖定律的理解,下列說法正確的是(　　)A.兩個點(diǎn)電荷的電荷量分別為Q1和Q2,它們之間的距離為r,當(dāng)兩個點(diǎn)電荷
C.真空中一個固定的點(diǎn)電荷A,電荷量為Q1,另有一個電荷量為Q2的點(diǎn)電荷B以A為圓心,做半徑為r的勻速圓周運(yùn)動,則它們之間的庫侖力為F=kD.根據(jù)F=k 知,當(dāng)兩個帶電體相距很近時,比如r趨近于0,它們之間的庫侖力會無窮大
解析:用庫侖定律計(jì)算兩個點(diǎn)電荷間的作用力時,不論是引力還是斥力,都是適用的,選項(xiàng)A錯誤;庫侖定律的適用條件是真空中的點(diǎn)電荷,中間隔有玻璃板(絕緣體)時,公式F=k 不再適用了,選項(xiàng)B錯誤;由于真空中的點(diǎn)電荷A與點(diǎn)電荷B的距離為r,則它們之間的庫侖力為F=k ,選項(xiàng)C正確;r很小時,兩個帶電體已不能視為點(diǎn)電荷,這時公式F=k 不再適用,選項(xiàng)D錯誤。
點(diǎn)電荷是理想化模型,同一帶電體,在不同問題中有時可以看作點(diǎn)電荷,有時不能看作點(diǎn)電荷。帶電體能否看作點(diǎn)電荷,不取決于帶電體的大小,而取決于它們的大小、形狀與距離相比能否忽略。
【變式訓(xùn)練1】 真空中有兩個靜止的點(diǎn)電荷,它們之間的靜電力大小為F,如果將這兩個點(diǎn)電荷之間的距離變?yōu)樵瓉淼?倍,那么它們之間靜電力的大小為(　　)A.F B.2F
(1)化學(xué)上的電荷平衡和物理上的庫侖力平衡的區(qū)別是什么?(2)平衡態(tài)指什么樣的狀態(tài)?物體的平衡條件是什么?提示:(1)電荷平衡指的是正、負(fù)電荷數(shù)量間的關(guān)系,指正負(fù)電荷數(shù)量相同。而庫侖力平衡指的是電荷間力的作用關(guān)系,是物體受力平衡。(2)平衡態(tài)指靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài),物體的平衡條件是物體所受的合外力為零。
1.在同一直線上三個點(diǎn)電荷都平衡(1)三個點(diǎn)電荷的位置關(guān)系是“兩同夾異”,即兩側(cè)的電荷電性相同,并都與中間電荷的電性相反。(2)三個點(diǎn)電荷電荷量的關(guān)系是“兩大夾小,近小遠(yuǎn)大”,即中間的電荷量最小,而兩側(cè)電荷中,電荷量較小的一個離中間電荷較近。
2.靜電力作用下的平衡問題的處理思路(1)靜電力作用下的平衡問題的處理思路與之前的平衡問題的處理思路是一樣的,只是在受力分析時要特別注意庫侖力。(2)兩帶電體間的靜電力遵循牛頓第三定律,即無論兩個帶電體電荷量是否相等,它們之間的靜電力總是等大反向的。(3)處理過程中,經(jīng)常用到的數(shù)學(xué)知識有直角三角形的知識等。
【例題2】 (多選)如圖所示,水平地面上固定一個光滑絕緣斜面,斜面與水平面的夾角為θ。一根輕質(zhì)絕緣細(xì)線的一端固定在斜面頂端,另一端系有一個帶電小球A,細(xì)線與斜面平行。小球A的質(zhì)量為m、電荷量為q。小球A的右側(cè)固定放置帶等量同種電荷的小球B,兩球心的高度相同、間距為d。靜電力常量為k,重力加速度為g,兩帶電小球可視為點(diǎn)電荷。小球A靜止在斜面上,則(　　)
【例題3】 如圖所示,在一條直線上有兩個相距0.4 m的點(diǎn)電荷A、B,A的電荷量是+Q,B的電荷量是-9Q?，F(xiàn)引入第三個點(diǎn)電荷C,恰好使三個點(diǎn)電荷都處于平衡狀態(tài),問:C應(yīng)帶什么性質(zhì)的電荷?應(yīng)放于何處?所帶的電荷為多少?
答案:帶負(fù)電　放在BA延長線上A點(diǎn)的左側(cè)0.2 m 處　– Q
解析:根據(jù)題意,三個點(diǎn)電荷中每個點(diǎn)電荷都在庫侖力的作用下處于平衡狀態(tài),由此可知,三個點(diǎn)電荷應(yīng)位于同一條直線上,且C應(yīng)帶負(fù)電放在A的左邊,如圖所示。
在三個自由點(diǎn)電荷的平衡問題中求解電荷量時可用 來驗(yàn)證我們的結(jié)果是否正確。
【變式訓(xùn)練2】 如圖所示,光滑絕緣水平面的同一直線上有三個點(diǎn)電荷都處于靜止?fàn)顟B(tài),其中點(diǎn)電荷甲、乙的電荷量及電性分別為+q和-4q,相距L。第三個點(diǎn)電荷的電性及電荷量、位置,下列說法正確的是(　　)
A.-q,位于甲的左端距甲0.5L處B.+q,位于乙的右端距乙L處C.任意電性及電荷量,只要位于甲、乙之間且距甲 處D.-4q,位于甲的左端,且距甲L處
解析:三個點(diǎn)電荷要平衡,三個點(diǎn)電荷必在一條直線上,外側(cè)兩個點(diǎn)電荷相互排斥,中間點(diǎn)電荷吸引外側(cè)兩個點(diǎn)電荷,所以外側(cè)兩個點(diǎn)電荷距離大,要平衡中間點(diǎn)電荷的拉力,必須外側(cè)點(diǎn)電荷電荷量大,中間點(diǎn)電荷電荷量小,即“兩同夾異”“兩大夾小”,所以第三個點(diǎn)電荷帶負(fù)電荷,且在甲的左側(cè)。設(shè)第三個點(diǎn)電荷的電荷量為-q',且所在位置與甲的距離為r,依據(jù)平衡條件,則
代入數(shù)據(jù)解得r=L。
對甲點(diǎn)電荷,其受力也平衡,
解得q'=4q,為負(fù)電,故D正確,A、B、C錯誤。
1.(探究影響點(diǎn)電荷間相互作用力的因素)(多選)在探究影響點(diǎn)電荷之間相互作用力大小因素的過程中,老師做了如圖所示的實(shí)驗(yàn)。O是一個帶正電的絕緣導(dǎo)體球,將同一帶電小球用絕緣細(xì)絲線分別掛在P1、P2、P3不同的位置,調(diào)節(jié)細(xì)絲線長度,使小球與帶電導(dǎo)體球O的球心保持在同一水平線上,發(fā)現(xiàn)小球靜止時細(xì)絲線與豎直方向的夾角不同,且θ1>θ2>θ3。關(guān)于這個實(shí)驗(yàn),下列說法正確的是(　　)
A.通過該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象可知,小球帶正電B.該實(shí)驗(yàn)可以研究電荷間相互作用力大小與它們之間距離是否有關(guān)C.該實(shí)驗(yàn)中細(xì)絲線與豎直方向的夾角越大,表示電荷之間的相互作用力越弱D.通過該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知,電荷之間的相互作用力與電荷之間的距離的二次方成反比
答案:AB解析:依據(jù)同種電荷相斥,異種電荷相吸,則可判定小球帶正電,故A正確;從題圖中看出,距離帶電導(dǎo)體球O越遠(yuǎn),細(xì)絲線與豎直方向的夾角越小,通過對小球的受力分析知道,小球受到的庫侖力越小,則該實(shí)驗(yàn)可以研究電荷間相互作用力大小與它們之間距離是否有關(guān),但不能得出電荷之間的相互作用力與電荷之間的距離的二次方成反比的結(jié)論,故B正確,C、D錯誤。
2.(對點(diǎn)電荷的理解)下列關(guān)于點(diǎn)電荷的說法正確的是(　　)A.只有體積很小的帶電體,才能看作點(diǎn)電荷B.點(diǎn)電荷一定是電荷量很小的電荷C.體積很大的帶電體一定不能看作點(diǎn)電荷D.帶電體能否看成點(diǎn)電荷,是看它的形狀和大小對相互作用力的影響是否能忽略不計(jì)答案:D解析:點(diǎn)電荷屬于理想化模型,對電荷量沒有要求,當(dāng)帶電體間的距離比它們自身的大小大得多,以至帶電體大小及電荷分布對它們之間的作用力的影響可以忽略時,這樣的帶電體就可以看作點(diǎn)電荷,故D正確。
3.(庫侖定律的應(yīng)用)(多選)兩個完全相同的金屬小球A和B的電荷量之比為1∶7,相距為r。兩者接觸一下放回原來的位置,則后來兩金屬小球之間的靜電力大小與原來之比是(　　)A.3∶7B.4∶7C.9∶7D.16∶7
解析:兩個完全相同的金屬小球,將它們相互接觸再分開,如果帶異種電荷,帶的電荷先中和后平分,設(shè)金屬球A和B的電荷量分別為Q、7Q,所以兩者接觸后A、B所帶的電荷相等都為3Q,根據(jù)庫侖定律得
則后來兩小球之間的靜電力大小與原來之比是9∶7。如果帶同種電荷,兩者接觸后A、B所帶的電荷相等都為4Q,根據(jù)庫侖定律得
4.(庫侖力作用下的平衡問題)如圖所示,用兩根絕緣絲線掛著兩個質(zhì)量相等的小球A和B,此時上下絲線受到的力分別為FA和FB。如果使A球帶上正電,B球帶上負(fù)電,上下絲線受的力分別為Fa和Fb,則(　　)
A.FAFaD.FB>Fb