魯科版 (2019)必修 第三冊(cè)第2節(jié) 庫(kù)侖定律示范課ppt課件

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按如圖 1-9 所示的方法做一做，你會(huì)發(fā)現(xiàn):將氣球充氣后靠近較輕的金屬筒，簡(jiǎn)靜止不動(dòng);將氣球在頭發(fā)上摩擦后再靠近筒，簡(jiǎn)會(huì)滾動(dòng)起來(lái)。氣球沒(méi)有接觸筒，為什么簡(jiǎn)卻滾動(dòng)起來(lái)了?本節(jié)將通過(guò)建立點(diǎn)電荷理想模型，學(xué)習(xí)兩個(gè)點(diǎn)電荷間相互作用的規(guī)律。
根據(jù)摩擦起電和靜電感應(yīng)的知識(shí)，我們知道氣球摩擦后會(huì)帶電，當(dāng)其靠近金屬簡(jiǎn)時(shí)，靜電感應(yīng)會(huì)使筒的兩側(cè)帶上異種電荷。氣球上的電荷與簡(jiǎn)上的電荷相互作用，簡(jiǎn)因此滾動(dòng)起來(lái)。電荷間的這種相互作用力稱為靜電力(electrstatic frce) 通常，兩個(gè)帶電體之間的相互作用力與帶電體的形狀、大小、電荷量、電荷分布及二者之間的距離等因素有關(guān)。若同時(shí)考慮這些因素，會(huì)大大增加研究靜電力作用規(guī)律的難度。
為此，物理學(xué)中通過(guò)建立點(diǎn)電荷理想模型來(lái)進(jìn)行相關(guān)研究。何為點(diǎn)電荷?當(dāng)帶電體本身的大小比它與其他帶電體之間的距離小得多，以至于其形狀、大小及電荷分布等因素對(duì)它與其他帶電體之間相互作用的影響可忽略時(shí)這樣的帶電體稱為點(diǎn)電荷(pintcharge)。點(diǎn)電荷被認(rèn)為是只有電荷量、沒(méi)有大小的幾何點(diǎn)，兩個(gè)視為點(diǎn)電荷的帶電體之間的距離就是這兩個(gè)幾何點(diǎn)之間的距離。
一個(gè)實(shí)際的帶電體能否視為點(diǎn)電荷，不僅和帶電體本身有關(guān)，還取決于研究的問(wèn)題和精度要求。即使是兩個(gè)很大的帶電體，只要在測(cè)量精度要求的范圍內(nèi)，帶電體的形狀.大小等因素的影響可忽略，也可視為點(diǎn)電荷。 事實(shí)上，任何帶電體都有大小和形狀，真正的點(diǎn)電荷是不存在的。點(diǎn)電荷是一個(gè)理想模型。在中學(xué)物理中，如果未特別指出帶電體的形狀、大小等，通常都把此帶電體視為點(diǎn)電荷。
點(diǎn)電荷是針對(duì)實(shí)際帶電體建構(gòu)的理想模型，與質(zhì)點(diǎn)模型的建構(gòu)類似。建立理想模型是科學(xué)研究的重要方法。 現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題復(fù)雜多樣，在研究中我們需抓住影響問(wèn)題的關(guān)鍵因素，忽略一些次要因素，建立理想模型。其實(shí)，理想模型在現(xiàn)實(shí)世界是不存在的，但在一定條件下，實(shí)際事物可近似當(dāng)作理想模型來(lái)處理。 若條件發(fā)生變化，研究問(wèn)題爵要深入，次要因素不能忽略，已有的理想模型不再適用，則應(yīng)考慮更多因素的影響，建立新的物理模型。
兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用力與距離、電荷量有怎樣的關(guān)系?下面讓我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究。
二、兩點(diǎn)電荷間的靜電力
(1)探究電荷間作用力的大小與距離的關(guān)系如圖 1-10所示，把兩個(gè)完全相同、帶同種電荷的小球掛在等長(zhǎng)絕緣細(xì)線下端，觀察細(xì)線相對(duì)堅(jiān)直方向的偏離角度(角度越大，靜電力越大):增大兩細(xì)線懸點(diǎn)之間的距離，觀察細(xì)線偏離角度有什么變化。
電荷間作用力的大小與距離、電荷量的關(guān)系
(2)探究電荷間作用力的大小與電荷圣的關(guān)系保持絕夠細(xì)線懸點(diǎn)位置不變，同時(shí)改變兩小球的電荷量(如用帶電棒同時(shí)接觸兩球)，再觀察細(xì)線偏離的角度，可得出什么結(jié)論?
通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)只能定性了解兩電荷間的作用力與它們之間的距離和電荷量的關(guān)系。兩電荷之間作用力的規(guī)律是法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵?C.Culmb，1736-1806)在前人工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)與牛頓萬(wàn)有引力定律的類比和自己大量的實(shí)驗(yàn)研究，在1785 年總結(jié)出來(lái)的。精確的實(shí)驗(yàn)表明，
真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力尸的大小，與它們的電荷量Q?、Q?的乘積成正比，與它們的距離 的二次方成反比;作用力的方向沿著它們的連線，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引(圖1-11)。上述結(jié)論可用公式表示為
式中，k是靜電力常量。如果各個(gè)物理量單位都采用國(guó)際單位制，
庫(kù)侖定律是電磁學(xué)的基本規(guī)律之一，這種電荷間的相互作用力通常稱為庫(kù)侖力或靜電力。庫(kù)侖定律是通過(guò)對(duì)宏觀帶電體的研究總結(jié)出來(lái)的，對(duì)原子核、電子等微觀粒子仍然成立?？諝鈱?duì)靜電力的影響很小，所以庫(kù)侖定律也適用于空氣中的點(diǎn)電荷。
實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于兩個(gè)以上的點(diǎn)電荷，其中每一個(gè)點(diǎn)電荷所受的總的靜電力，等于其他點(diǎn)電荷分別單獨(dú)存在時(shí)對(duì)該點(diǎn)電荷的作用力的天量和，這個(gè)結(jié)論通常稱為靜電力疊加原理。由于任何帶電體都可視為由很多點(diǎn)電荷組成，理論上講，利用庫(kù)侖定律和靜電力看加原理可求出任何帶電體之間的作用力。
真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上
①點(diǎn)電荷 ②真空中 ③靜止
靜電力常量k——庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)
如圖 1-12所示， q?受到q?的吸引力，受到q?的排斥力F?， q?所受靜電力F等于這兩個(gè)力的合力。由于F? 、F?大小相等，其合力F的方向與 q? 、 q?的連線平行。
因q?與 q?所帶電荷量大小相等，與q ?的距離也相等，有
所以，q?所受靜電力的大小為 0.54 N，方向與 q? 、q?的連線平行并指向右方。
如果底邊兩個(gè)點(diǎn)電荷的電荷量不相等，其他條件不變， q?所受靜電力的方向還與 q? 、q?的連線平行嗎?為什么?
上題中，如果q?帶正電，其他條件不變，求q?所受的靜電力。
庫(kù)侖定律是電學(xué)史上第一個(gè)定量定律，它是電學(xué)研究從定性到定量的里程碑，莫定了定量研究電學(xué)的基礎(chǔ)。 18世紀(jì)，一些物理學(xué)家受萬(wàn)有引力與距離平方成反比規(guī)律的啟示，猜想靜電力與距離也有平方反比的關(guān)系，并對(duì)此進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)探究?；谇叭说难芯浚瑤?kù)侖設(shè)計(jì)了扭秤實(shí)驗(yàn)，得出了電荷間相互作用的規(guī)律，使猜想得到了證實(shí)。
如圖 1-13 所示，在細(xì)金屬懸絲下懸掛一橫桿，桿兩端有金屬小球A、B，在A旁有與它相同的金屬小球C。當(dāng)A、C帶電發(fā)生相互作用時(shí)，秤桿會(huì)因A端受力而旋轉(zhuǎn)，力的大小可借助旋轉(zhuǎn)的角度得出。當(dāng)時(shí)沒(méi)有精密測(cè)量力的儀器和量度電荷量的單位，但庫(kù)侖巧妙借助扭秤，測(cè)量了很小的靜電力;用兩個(gè)相同的金屬小球，先讓一個(gè)帶電另一個(gè)不帶電，然后讓它們接觸，使電荷量在兩個(gè)金屬小球間平均分配，間接解決了電荷量的測(cè)量問(wèn)題。
帶電體的形狀和大小對(duì)相互作用力的大小可以忽略，那么帶電體可以看作一個(gè)點(diǎn)，成為點(diǎn)電荷
帶電體間的距離比它們自身的大小大得多，以致帶電體的形狀、大小、電荷分布對(duì)它們之間的作用力可以忽略不計(jì).
2.點(diǎn)電荷真實(shí)存在嗎？
理想化模型——實(shí)際中不存在只有電荷量，沒(méi)有大小、形狀
元電荷：自然界中存在的最小的電荷量（實(shí)際存在）
點(diǎn)電荷：為研究方便抽象出的理想模型（不存在）
點(diǎn)電荷的帶電量是元電荷的整數(shù)倍
1.在庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)金屬小球之間的靜電力很小，用一般儀器難以測(cè)量。某同學(xué)認(rèn)為，只要把它們之間的距離盡量減小，就可測(cè)出靜電力，這與通過(guò)庫(kù)侖定律計(jì)算出的靜電力大小是一致的。這種觀點(diǎn)正確嗎?為什么?
2.兩個(gè)帶電球處于如圖所示的靜止?fàn)顟B(tài)，大球的電荷量大于小球的電荷量。下列判斷正確的是A.兩球一定都帶正電B.兩球一定都帶負(fù)電C.兩球受到的靜電力大小相等D.大球受到的靜電力大于小球受到的靜電力
4.在探究電荷間作用力的大小與距離、電荷量的關(guān)系時(shí)，分別用長(zhǎng)l的絕緣細(xì)線把質(zhì)量都為 m、大小相同且?guī)У攘侩姾傻男∏?A、B，懸掛在同-水平面上相距 2l的M、N兩點(diǎn)平衡時(shí) A、B的位置如圖所示，細(xì)線與豎直方向的夾角a=30°。A、B 小球帶同種電荷還是異種電荷?所帶電荷量是多少?
5.兩個(gè)帶正電的小球，電荷量分別為Q和9Q，在真空中相距l(xiāng)。如果引入第三個(gè)小球，恰好使得三個(gè)小球只在它們相互之間的靜電力作用下處于平衡狀態(tài)，第三個(gè)小球應(yīng)帶何種電荷，放在何處，電荷量又是多少?