2020-2021学年高二上学期物理鲁科版（2019）必修第三册1.2库仑定律课件47张PPT

(共47张PPT)
第1章　静电力与电场强度
第2节　库仑定律
课标解读
课标要求
素养形成
1.知道点电荷模型
2.知道两个点电荷间相互作用
的规律
3.体会探究库仑定律过程中的
科学思想和方法
1.物理观念:明确点电荷是个理想模型,知道带电体简化为点电荷的条件,知道库仑定律的文字表述及其公式表达
2.科学思维:体会探究库仑定律过程中的科学思想和方法
3.科学探究:了解库仑扭秤实验,并提出相关问题
4.科学态度与责任:通过了解库仑扭秤实验,能体会科学研究精神,养成科学探究品质
情境导学
精读教材·必备知识
1.如图所示,小球受Q的斥力,丝线偏转。
?
F=mg
tan
θ,θ变大,F　　　　　　　　????。
提示:变大
2.如图所示的实验装置为库仑扭秤,细银丝的下端悬挂一根绝缘棒,棒的一端是一个带电的金属小球A,另一端有一个不带电的球B,B与A使绝缘棒平衡,当把另一个带电的金属球C插入容器并使它靠近A时,A和C之间的作用力使悬丝扭转,通过悬丝扭转的角度可以比较力的大小,便可找到力F与A和C之间的距离r和电荷量q的关系,这一实验中用到了哪些方法?
提示:把微弱的力转换放大成可以看得到的扭转角度,并通过扭转角度的大小
找出力和距离的关系,是微小量放大法;保持电荷量不变,改变A和C的距离可
得到F和r的关系,保持A和C的距离不变,改变电荷量q可得到F和q的关系,这
是控制变量法。
必备知识
新知梳理
一、点电荷
1.静电力
定义:　　　　　????间的相互作用力。
影响静电力大小的因素:两带电体的形状、大小、　　　　　????、电荷分
布、二者间的　　　　　????等。
电荷
电荷量
距离
2.点电荷
(1)当带电体之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
及电荷分布等因素对它们之间的作用力的影响可以忽略时,这样的带电体可
以看作带电的点,叫作　　　　　????。
(2)两个带电体能否视为点电荷,要看它们本身的线度是否比它们之间的距离
　　　　　????得多,而不是看物体本身有多大。
点电荷
小
二、两点电荷间的静电力
1.库仑定律
(1)内容:真空中两个静止　　　　　????之间的相互作用力F的大小,与它们的
　　　
　　????成正比,与它们的　　　　　????成反比;作用力的方向沿着
　　　
????,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。
(2)表达式:F=k?,式中k叫作　　　　　????。如果公式中的各个物理量都
采用国际单位,即电荷量的单位用　　　　　????,力的单位用　　　　　????,
距离的单位用　　　　　????,则由实验得出k=9.0×109　　　　　????。使用上
述公式时,电荷量Q1、Q2一般用绝对值代入计算。
点电荷
电荷量Q1、Q2的乘积
距离r的二次方
它们的连线
静电力常量
库仑
牛顿
米
N·m2/C2
(3)适用条件:　　　　　????、　　　　　????。
2.静电力叠加原理
两个以上的点电荷,其中每一个点电荷所受的总的静电力,等于其他点电荷分
别单独存在时对该点电荷的作用力的　　　　　????,这个结论通常称为静电
力叠加原理。
真空中
点电荷
矢量和
思维诊断
1.实验表明电荷之间的作用力一定和电荷间的距离成反比。?(　　)
2.法国物理学家库仑利用扭秤实验探究电荷间的相互作用规律时利用了放
大法的思想。?(　　)
3.点电荷是一个带有电荷的点,它是实际带电体的抽象,是一种理想化模型。
?(　　)
4.只有体积很小或电荷量很小的带电体才可以看作点电荷。?(　　)
5.若点电荷Q1的电荷量大于Q2的电荷量,则Q1对Q2的静电力大于Q2对Q1的静
电力。?(　　)
?
√
√
?
?
要点一　库仑力的大小计算及叠加
互动探究·关键能力
情境探究
在用塑料梳子梳理干燥的头发时,会发现头发会被梳子吸引而飘起来,且梳子
离头发越近,头发飘得越高,如果多梳几次,并使梳子快速靠近头发,头发就会
飘得更高。梳子和头发间的作用力到底和哪些因素有关呢?为了探究影响电
荷间作用的因素时,可以设计如图所示的实验装置:
?
1.应该如何来探究电荷间相互作用力与可能因素间的关系?
提示:利用控制变量法。
2.如何直观地判断这种作用力的大小?
提示:比较悬线倾角的大小。
3.保持电荷量q一定,研究相互作用力F与距离r的关系,应该怎么办?保持距离r
一定,研究相互作用力F与电荷量q的关系,应该怎么办?
提示:改变悬点位置,观察悬线偏角。增大小球A的电荷量,观察悬线偏角。
知识深化
1.点电荷
点电荷是一种物理模型,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。如果带电体间的距离比它们自身的大小
大得多,以至于带电体的形状和大小对相互作用力的影响很小,就可以忽略形
状、大小等次要因素,只保留对问题有关键作用的电荷量,带电体就能看成点
电荷。同一带电体,在不同问题中有时可以看成点电荷,有时不可以看成点电
荷。
2.库仑定律的理解
(1)仅适用于真空中两个静止点电荷间静电力的计算,对于不能视为点电荷的
带电体,不能直接应用库仑定律计算。
(2)两电荷间作用力的大小只跟电荷的电荷量及距离有关,跟其周围是否有其
他电荷无关。
(3)计算时Q1、Q2仅取电荷量的绝对值,方向在它们的连线上,再根据同性相
斥、异性相吸进一步确定。
(4)两个规则的均匀带电球体,相距比较远时,可以看成点电荷,也适用于库仑
定律,球心间的距离就是二者的距离。
两个规则的带电金属球相距比较近时,不能被看作点电荷,此时两带电金属球
之间的作用距离会随所带电荷量的改变而改变,即电荷的分布会发生改变。
若带同种电荷,如图(a)所示,由于排斥而距离变大,此时F荷,如图(b)所示,由于吸引而距离变小,此时F>k?。
3.库仑力的叠加
当多个带电体同时存在时,每两个带电体间的库仑力都遵循库仑定律。某一
带电体同时受到多个库仑力作用时可利用力的平行四边形定则求其合力。
题组过关
典例1　如图所示,直角三角形ABC中∠B=30°,A、B处点电荷所带电荷量分
别为QA、QB,测得在C处的某正点电荷所受静电力方向平行于AB向左,则下列
说法正确的是?(　　)
A.A处点电荷带正电,QA∶QB=1∶8
B.A处点电荷带负电,QA∶QB=1∶8
C.A处点电荷带正电,QA∶QB=1∶4
D.A处点电荷带负电,QA∶QB=1∶4
B
解析　要使C处的正点电荷所受静电力方向平行于AB向左,该正点电荷的
受力情况应如图所示,所以A处点电荷带负电,B处点电荷带正电。设A、C间
的距离为L,则FB
sin
30°=FA,即k?·sin
30°=k?,解得?=?,故选项B正
确。
规律方法
(1)对于三个或三个以上的点电荷,其中每一个点电荷所受库仑力,等于其余
所有点电荷单独对它作用产生的库仑力的矢量和;
(2)电荷间的单独作用符合库仑定律,求各库仑力的矢量和时应用平行四边形
定则。
针对训练1????(多选)两个相同的金属小球,带电荷量之比为1∶7,相距为r,两者
相互接触后再放回原来的位置上,则它们间的库仑力可能为原来的?(　　)
A.?　　　????B.?　　　????C.?　　　????D.?
CD
解析　设两金属球带异种电荷,电荷量分别为q和-7q,两者间库仑力大小
为:F=k?=?;两者接触后再放回原来的位置上,两球所带电荷量均为
-3q,库仑力大小为:F'=k?=?,是原来的?,选项C正确;设两金属球带同种
电荷,电荷量分别为q、7q,由库仑定律有:F=k?=?;两者接触后再放回
原来的位置上,两球所带电荷量均为4q,库仑力大小为F″=k?=?,是
原来的?,选项D正确。
要点二　库仑力作用下的综合问题
相距L的点电荷A、B的带电荷量分别为+4Q和-Q,要引入第三个点电荷C,使
三个点电荷都处于平衡状态。
情境探究
1.电荷C应放在什么位置?
2.电荷C应带哪种电荷?
3.电荷C的电荷量是多少?
提示:由于每个点电荷都受到其他两个点电荷的库仑力作用,要处于平衡状
态,这两个库仑力必沿同一条直线,因此A、B、C三个点电荷必须共线。A、
B为异种点电荷,对C的库仑力为一斥一吸,C要平衡,不能放在A、B之间。由
于A的电荷量大于B的电荷量,所以C应距A较远,距B较近。考虑到A、B也要
平衡,所以C应放在B的右侧且带正电。
设C与B的距离为x,带电荷量为QC,则对C和B有
?=??①
?=??②
由以上两式得x=L,QC=4Q
拓展　若A、B为同号正电荷,引入第三个电荷C,使三个点电荷均平衡,则C应
放在何处?C的电性和电荷量如何?
由以上两式得x=?,QC=?。
提示:由于每个点电荷都受到其他两个点电荷的库仑力作用,要处于平衡状
态,其间的库仑力必沿同一条直线,因此A、B、C三个点电荷必须共线。A、
B为同种点电荷,对C的库仑力均为引力或斥力,C要平衡,应放在A、B之间。
由于A的电荷量大于B的电荷量,所以C应距A较远,距B较近。考虑到A、B也
要平衡,所以C应放在A、B之间靠近B的一侧且带负电。
设C与B的距离为x,带电荷量为QC,则对C和B有
?=??①
?=??②
分析带电体在有库仑力作用下的平衡问题时,方法仍然与力学中物体的平衡
方法一样,具体步骤:
(1)确定研究对象;(2)进行受力分析;(3)建立坐标系;(4)列方程F合=0,正交分解,
∑Fx=0,∑Fy=0;(5)求解方程。
知识深化
题组过关
典例2　如图所示,光滑绝缘水平面上有三个带电小球a、b、c(均可视为点电
荷),三球沿一条直线摆放,仅在它们之间的静电力作用下处于静止状态,则以
下判断正确的是?(　　)
A.a对b的静电力一定是引力
B.a对b的静电力可能是斥力
C.a的电荷量可能比b的少
D.a的电荷量一定比b的少
A
解析　根据静电力方向来确定各自电性,从而得出“两同夹一异”,则a对b
的静电力一定是引力,a对c的静电力一定是斥力;同时根据库仑定律来确定静
电力的大小,并由平衡条件来确定各自电荷量的大小,因此在电荷量大小上一
定为“两大夹一小”,因此a的电荷量一定比b的多。选项A正确,B、C、D错
误。
方法技巧
同一直线上三个自由点电荷的平衡问题处理方法
?
即:“三点共线”——三个点电荷分布在同一条直线上;“两同夹异”——
正、负电荷相互间隔;“两大夹小”——中间电荷的电荷量最小;“近小远
大”——中间电荷靠近电荷量较小的电荷。
针对训练2　如图所示,一个挂在丝线下端的带正电的小球B,静止在图示位
置;若固定的带正电的小球A电荷量为Q,B球的质量为m,带电荷量为q,θ=30°,A
和B在同一水平线上,整个装置处于真空中,重力加速度为g,求A、B两球之间
的距离为多少?
?
答案　见解析
解析　研究小球B:小球B受三个力作用而平衡,其受力情况如图所示,
F库=mg
tan
θ?①
据库仑定律得
F库=??②
由①②得
r=?=?
拓展　如果本题的小球B带负电荷q,丝线与竖直方向的夹角还是30°吗?
提示:如果小球B带负电荷q,两球之间的库仑力是引力,丝线向左偏转,两球之
间距离减小,库仑力变大,F库=mg
tan
θ,丝线与竖直方向的夹角大于30°。
评价检测·素养提升
课堂检测
1.2019年11月5日,在西昌卫星发射中心用“长征三号”乙运载火箭,成功发
射第49颗“北斗导航”卫星,在火箭升空过程中由于与大气摩擦产生了大量
的静电,如果这些静电没有被及时导走,下列情况中升空后的“长征三号”乙
运载火箭能被视为点电荷的是?(　　)
A.研究火箭外部与其相距1
m处的一个带电微粒之间的静电力
B.研究火箭与地球(带负电)之间的静电力
C.任何情况下都可视为点电荷
D.任何情况下都不可视为点电荷
B
解析　当火箭离地球较远时,火箭的大小对火箭与地球之间的距离可忽略
不计,电荷在火箭上的分布情况对研究火箭与地球间静电力的作用可忽略不
计,此时火箭可看成点电荷,B正确。
2.使两个完全相同的金属小球(均可视为点电荷)分别带上-3Q和+5Q的电荷
后,将它们固定在相距为a的两点,它们之间库仑力的大小为F1,现用绝缘工具
使两小球相互接触后,再将它们固定在相距为2a的两点,它们之间库仑力的大
小为F2,则F1与F2之比为?(　　)
A.2∶1　　　????B.4∶1　　　????C.16∶1　　　????D.60∶1
D
解析　开始时由库仑定律可得F1=k?=k?,接触后再分开,两球都带
正电,所带电荷量均为Q,由库仑定律可得F2=k?=k?,所以F1∶F2=60∶1,
故D正确。
3.如图,电荷量为q1和q2的两个点电荷分别位于P点和Q点。已知放在P、Q连
线上某点R处的电荷受力为零,且PR=2RQ,则?(　　)
?
A.q1=2q2　　　????B.q1=4q2　　　????C.q1=-2q2　　　????D.q1=-4q2
B
解析　已知在P、Q连线上某点R处的电荷受力为零,依据同种电荷相斥,异
种电荷相吸,再结合矢量的合成法则,可知两点电荷带有同种电荷,设R处电荷
所带电荷量为q,根据库仑定律和物体平衡知识得k?=k?,已知PR=2
RQ,解得q1=4q2,选项B正确,A、C、D错误。
高中物理常见的理想化模型
理想化方法是一种科学抽象,是研究物理学的重要方法,它根据所研究问题
(一般都是十分复杂,涉及诸多因素)的需要和具体情况,确定研究对象的主要
因素和次要因素,保留主要因素,忽略次要因素,排除无关干扰,从而简明扼要
地揭示事物的本质。
理想化方法包括理想实验方法和理想模型方法。
(1)理想实验方法
理想实验又叫假想实验或思想上的实验,它是人们在思想中塑造的一种理想
创新视野
实验,是逻辑推理的一种特殊形式,在实际中并不能进行。伽利略用著名的理
想斜面实验发现了力与运动的关系,指出运动不需要力来维持,与实际实验相
比,理想实验能更大程度地突出实验中的主要因素,得出更本质的结论。
(2)理想模型
理想模型可分为对象模型、条件模型和过程模型。
①对象模型:
用来代替研究对象实体的理想化模型,如质点、点电荷等都属于对象模型。
是对实物的一种理想简化。
②条件模型:
把研究对象所处的外部条件理想化建立的模型叫作条件模型。如光滑表面、
轻杆、轻绳、匀强电场都属于条件模型。是对相关环境的一种理想简化。
③过程模型:
实际的物理过程都是诸多因素作用的结果,忽略次要因素的作用,只考虑主要
因素引起的变化过程叫作过程模型。是对干扰因素的一种简化。例如:在空
气中自由下落的物体,在高度不大时,空气的作用忽略不计时,可抽象为自由
落体运动;另外匀速直线运动、匀变速直线运动、抛体运动、匀速圆周运动
都属于过程模型。
1.如图所示,两个质量均为m的完全相同的金属球壳a与b,壳层的厚度和质量
分布均匀,将它们分别固定于绝缘支座上,两球心
间的距离为l,为球直径的2倍。若使它们带上等
量异种电荷,两球带电荷量的绝对值均为Q,那么,
a、b两球之间的万有引力F引、库仑力F库分别为
?(　　)
A.F引=G?,F库=k?　　　　　　　????B.F引≠G?,F库≠k?
C.F引≠G?,F库=k?　　　　　　　????D.F引=G?,F库≠k?
D
解析　万有引力定律适用于两个可看成质点的物体,虽然两球心间的距离l
只有直径的2倍,但由于壳层的厚度和质量分布均匀,两球壳可看成质量集中
于球心的质点,因此可以用万有引力定律求F引;对于a、b两带电球壳,由于两
球心间的距离l只有直径的2倍,且电荷集中于两球靠近的一侧,不能将其看成
点电荷,不满足库仑定律的适用条件,D正确。
2.一带电荷量为+Q、半径为R的球,电荷在其内部能均匀分布且保持不变,现
在其内部挖去一半径为R/2的小球后,如图所示,求剩余部分对放在两球心连
线上一点P处电荷量为+q的电荷的静电力。已知P距大球球心的距离为4R。
?
答案?????　方向向右
解析　挖去小球之前,大球对P点电荷的斥力为:
F=?
挖去的小球带电荷量为:
Q'=?×?=?
挖去的小球原来对P点电荷的斥力为:
F1=?=?
剩余部分对P点电荷的斥力为:
F2=F-F1=?,方向向右。
3.如图所示,一个均匀的带电圆环,带电荷量为+Q,半径为R,放在绝缘水平桌
面上。圆心为O点,过O点作一竖直直线,在此线上取一点A,使A到O点的距离
为R,在A点放一电荷量为+q的试探电荷,则试探电荷在A点所受的库仑力为?
(　　)
A.?,方向向上　　　　　　　????B.?,方向向上
C.?,方向水平向左　　　　　
D.不能确定
B
解析　先把带电圆环分成若干个小部分,每一小部分可视为一个点电荷,各
点电荷对试探电荷的库仑力在水平方向上的分力相互抵消,竖直方向上的分
力大小为?=?,方向向上,故选B。