高中物理人教版（2019）必修第三册 第九章静电场及其应用第2节库仑定律课件(共27张PPT)

(共27张PPT)
第
节
2
库仑定律
高中物理 必修第三册
第九章
1. 通过库仑定律的探究过程，体会实验与类比在定律的建立过程中发挥的重要作用。
2.通过与质点模型类比，知道点电荷模型的物理意义及建立点电荷模型的条件，进一步体会科学研究中的理想模型方法。
3.理解库仑定律的内涵和适用条件，能够应用库仑定律计算点电荷间的静电力，会利用力的合成的知识解决多个电荷间的相互作用问题。
4.体会库仑扭秤实验的设计思路与实验方法。
5. 对比库仑定律和万有引力定律的形式，体会物理学的和谐统一之美，提高物理学习兴趣。
学习目标
思考与讨论:
同种电荷相互排斥；异种电荷相互吸引，既然电荷之间存在相互作用，那么电荷之间相互作用力的大小决定于哪些因素呢？
猜想：
①可能跟电荷电量有关
②可能与电荷间的距离有关
一、演示实验：探究影响电荷间相互作用力的因素
原理与方法：控制变量法
实验器材：带正电的带电体A、丝线、带正电的小球、铁架台
实验步骤：（1）带正电的带电体A置于铁架台旁，把系在丝线上带正电的小球先后挂在P1 、P2 、P3 等位置。
（2）带电体A与小球间的作用力会随距离的不同怎样改变呢？
（3）在同一位置增大或减小小球所带的电荷量，作用力又会怎样变化？ 电荷之间作用力的大小与哪些因素有关？
实验结论：通过上面的实验可以看到，电荷之间的作用力随着电荷量的增大而增大，随着距离的增大而减小。

二、库仑定律
1、内容：真空中两个静止的点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。
2、适用范围: ①真空中；②静止；③点电荷
说明：实际上对空气中两个静止点电荷，或运动速度不大的两个点电荷也可以用库仑定律它们的静电力。
3、点电荷：
(1)定义：带电体间的距离比它们自身的大小大得多，以致带电体的形状、大小及电荷分布状况对它们之间的作用力的影响可以忽略时，这样的带电体就可以看做带电的点，叫做点电荷。
(2)点电荷是理想化的物理模型：点电荷是只有电荷量，没有大小、形状的理想化模型，类似于力学中的质点，实际中并不存在。
(3)点电荷只具有相对意义：点电荷是一个相对的概念，一个带电体能否看作点电荷，是相对于具体问题而言的，不能单凭其大小和形状确定。
4.概念辨析
例：下列关于电荷、点电荷的说法，正确的是（　　）
A.自然界只存在三种电荷：正电荷、负电荷和元电荷
B.足够小（如体积小于0.1 mm3）的电荷，就是点电荷
C.物体的带电荷量可以是3×10-19 C
D.一个带电体能否看成点电荷，是看它的形状和大小对所研究问题的影响是否可忽略不计
点拨：带电体可否看作点电荷，由所研究问题的性质决定，与带电体自身大小形状无具体关系；任何物体的带电荷量都是元电荷或是元电荷的整数倍。
D
实验装置
库仑的实验装置：库仑扭秤
器材组成
细银丝、绝缘架、带电的金属小球A和C、不带电的小球B
库仑扭秤
细银丝
平衡小球B
带电小球C
带电小球A
刻度盘与指针
三、库仑的实验
1.库仑的实验
静电力或库仑力（N）
点电荷电量（C）
点电荷间距离（m)
静电力常量：
2、库仑定律表达式及其各物理量的含义
3、方向：在两点电荷的连线上，同种电荷相斥，异种电荷相吸。
例：［多选］对于库仑定律，下面说法正确的是 （　　）
A.凡计算真空中两个静止点电荷间的相互作用力，就可以使用公式F=
B.两个带电小球即使相距非常近，也能用库仑定律
C.相互作用的两个点电荷，不论它们的电荷量是否相同，它们之间的静电力大小一定相等
D.当两个半径为r的带电金属球中心相距为4r时，对于它们之间的静电力大小，只取决于它们各自所带的电荷量
AC
四、静电力计算
1.库仑定律的应用
库仑定律既可以计算库仑力的大小，还可以判断库仑力的方向。
当带电体带负电荷时，不必将负号代人公式中，只将电荷量的绝对值代入公式算出力的大小，再依据同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引来判断方向。
例：在氢原子内，氢原子核与电子之间的最短距离为 5.3×10 -11 m。试比较氢原子核与电子之间的静电力和万有引力。
分析： 氢原子核与质子所带的电荷量相同，是 1.6×10 -19 C。电子带负电，所带的电荷量也是 1.6×10 -19 C。质子质量为 1.67×10 -27 kg，电子质量为 9.1×10 -31 kg。根据库仑定律和万有引力定律就可以求解。
氢原子核与电子之间的静电力是万有引力的 2.3×1039 倍。可见，微观粒子间的万有引力远小于库仑力。因此，在研究微观带电粒子的相互作用时，可以把万有引力忽略。

拓展、静电力的叠加原理
实验发现：两个点电荷之间的作用力不因第三个点电荷的存在而改变。两个或两个以上点电荷对某一个点电荷的作用力，等于各点电荷单独对这个电荷作用力的矢量和。
例：真空中有三个带正电的点电荷，它们固定在边长为 50 cm 的等边三角形的三个顶点上，每个点电荷的电荷量都是 2.0×10 -6 C，求它们各自所受的静电力。
一个点电荷所受的静电力
分析：根据题意作图。每个点电荷都受到其他两个点电荷的斥力，因此，只要求出一个点电荷（例如 q3 ）所受的力即可。
q1
q3
+
+
+
q2
F1
F
F2
解:根据库仑定律，点电荷 q3 共受到 F1 和 F2 两个力的作用。其中
q1 ＝ q2 ＝ q3 ＝ q
每两个点电荷之间的距离 r 都相同，所以
根据平行四边形定则可得
F ＝ 2F1cos 30°＝ 0.25 N
点电荷q3 所受的合力F 的方向为q1 与q2 连线的垂直平分线向外。
每个点电荷所受的静电力的大小相等，数值均为0.25 N，方向均沿另外两个点电荷连线的垂直平分线向外。
拓展练习：两个可自由移动的点电荷分别放在A、B两处，如图9-2-4所示。A处为带电荷量为+Q1的正电荷，B处为带电荷量为-Q2的负电荷，且Q1=4Q2，另取一个可以自由移动的点电荷P，放在AB连线上，欲使整个系统处于平衡状态，则（　　）
A. P为负电荷，且放于A右方
B. P为负电荷，且放于B右方
C. P为正电荷，且放于B右方
D. P为正电荷，且放于A、B之间
解析：假设P放在Q1、Q2之间，那么Q1对P的静电力和Q2对P的静电力方向相同，P不能处于平衡状态。假设P放在Q1左边，那么Q1对P的静电力大于Q2对P的静电力，P不能处于平衡状态。P只能放在Q2右边，要使整个系统处于平衡状态，则P只能带正电。
C
拓展：库仑力作用下的平衡与运动问题
三电荷平衡模型的规律
(1)“三点共线”——三个点电荷分布在同一直线上。
(2)“两同夹异”——正负电荷相互间隔。
(3)“两大夹小”——中间电荷的电荷量最小。
(4)“近小远大”——中间电荷靠近电荷量较小的电荷。
例:如图所示，两个带电荷量分别为q1、q2，质量分别为m1、m2的小球，以等长的丝线悬挂于一点，下列情况正确的是（　　）
A.若m1=m2，q1≠q2，则α=β
B.若m1=m2，q1>q2，则α>β
C.若m1=m2，q1D.若m1≠m2，q1=q2，则α=β
解析：假定α=β，则库仑力在水平方向上，m1、m2受力如图所示，
由平衡条件可知，
m1g=Fcot β，m2g=F′cot α
因F=F′，α=β，则m1=m2
可见，若m1=m2，则α=β，α、β的关系与两小球所带电荷量无关。
A
例4：如图所示，三个点电荷Q1、Q2、Q3在一条直线上，Q2和Q3间的距离为Q1和Q2间距离的2倍，每个点电荷所受静电力的合力为0，由此可以判定，三个点电荷的电荷量之比Q1∶Q2∶Q3为（　　）
A.（-9）∶4∶（-36） B.9∶4∶36
C.（-3）∶2∶（-6） D.3∶2∶6
A
解析：由三电荷平衡模型的特点“两同夹异”可知，Q1和Q3为同种电荷，它们与Q2互为异种电荷。设Q1和Q2间的距离为r，则Q2和Q3间的距离为2r，电荷量均取绝对值。
对Q1有 = ①
对Q2有 = ②
联立①②式解得Q1∶Q2∶Q3=9∶4∶36。
所以三个点电荷的电荷量之比Q1∶Q2∶Q3为（-9）∶4∶（-36）或9∶（-4）∶36。
本课小结
1. 点电荷：建立点电荷模型的条件。
2. 理解库仑定律的适用条件：①真空中；②静止；③点电荷。
3. 库仑力的叠加：两个点电荷之间的作用力不因第三个点电荷的存在而改变。两个或两个以上点电荷对某一个点电荷的作用力，等于各点电荷单独对这个电荷作用力的矢量和。
1. 如图所示在A、B两点分别放置Q1=+2×10-14 C和Q2=-2×10-14 C的点电荷，在AB的垂直平分线上有一点C，且AB=AC=BC=6×10-2 m。如果有一个电子静止在C点，则它所受的库仑力的大小和方向如何？
当堂检测
2. 真空中，在光滑的水平面上，有两个点电荷A和B，带电荷量分别为QA=+1×10-12 C、QB=-9×10-12 C，它们之间的距离为l=3 m。在何处放一个什么样的点电荷，可使三者都能保持平衡？
谢谢！