(共43张PPT)
2.库
仑
定
律
一、电荷之间的作用力
1.点电荷:
当实际带电体的大小_______它们之间的距离,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_____时,这样的带电体可看作点电荷,它是
理想化的物理模型。
远小于
忽略
2.库仑定律:
(1)内容:真空中两个静止点电荷之间的相互作用力,与
它们的电荷量的乘积成_____,与它们的距离的二次方
成_____,作用力的方向在它们的_____上。电荷之间存
在着的相互作用力称为_______或库仑力。
正比
反比
连线
静电力
(2)表达式:_________,其中k叫静电力常量,________
______________。?
(3)适用条件:在真空中静止的_______。
k=9.0×
109
N·m2/C2
点电荷
二、静电力计算
库仑是一个非常大的电荷量单位。通常,一把梳子和衣
袖摩擦后所带的电荷不到_______________,但天空中
发生闪电之前,巨大的云层中积累的电荷量可达_____
_____。
百万分之一库仑
几百
库仑
库仑定律描述的是两个点电荷之间的作用力。如果存
在两个以上点电荷,那么每个点电荷都要受到其他所有
点电荷对它的作用力。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的
作用力的矢量和
主题一 影响电荷相互作用的因素
任务 探究影响电荷间相互作用力的因素
【实验情境】
如图,O是一带正电的物体,把系在丝线上的带正电的小球先后挂在P1、P2、P3等位置。利用此装置探究影响电荷间相互作用力的因素。
【问题探究】
试结合上述情境,讨论下列问题:
(1)在本实验中,电荷间相互作用力的大小与悬线偏离竖直方向的夹角大小有什么关系?
提示:悬线偏离竖直方向的夹角越大,说明二者的相互作用力越大;反之则越小。
(2)在电荷量不变的情况下,探究电荷间作用力与电荷间距离的关系时,怎样操作?实验结论是什么?
提示:把一带正电的球A放在实验台上,用丝线悬挂一带正电的小球B于铁架台上。移动球A,观察悬线偏离竖直方向的夹角随A、B间距离的变化而变化的情况。
实验结论:两电荷之间的作用力随它们之间距离的增大而减小,随距离的减小而增大。
(3)在电荷间距离不变的情况下,探究电荷间作用力与电荷量的关系时,怎样操作?实验结论是什么?
提示:保持电荷间距离不变,分别用带不同电荷量的小球A做实验,观察小球B的悬线偏离竖直方向的角度随电荷量的变化而变化的情况。
实验结论:两电荷间的作用力随电荷量的增大而增大,随电荷量的减小而减小。
(4)由问题(1)、(2)、(3)我们可以得出什么结论?
提示:电荷之间存在着相互作用力,力的大小与电荷量的大小、电荷间距离的大小有关。电荷量越大,距离越小,作用力就越大;反之,电荷量越小,距离越大,作用力就越小。
【结论生成】
探究影响电荷间相互作用力的因素的方法:(科学探究)
实验
原理
方法(控制
变量法)
探究电荷间作用力与距离的关系(电荷量不变)
探究电荷间作用力与电荷量的关系(电荷间距离不变)
实验
操作
保持电荷量不变,改变悬点位置,从而改变小球间距r,观察夹角θ变化情况
改变小球带电量q,观察夹角θ变化情况
实验
现象
r变大,θ变小
r变小,θ变大
q变大,θ变大
q变小,θ变小
实验结论
电荷间的作用力与距离有关,与电荷量有关
【典例示范】
半径为R的两个较大金属球放在绝缘桌面上,若两球都带等量同种电荷Q时它们之间的库仑力为F1,两球带等量异种电荷Q与-Q时库仑力为F2,则
( )
A.F1>F2 B.F1【解析】选B。因为两个金属球较大,相距较近,电荷间的相互作用力使电荷分布不均匀,故不能简单地把两球看成点电荷。带同种电荷时,两球的电荷在距离较远处分布得多一些,带异种电荷时,在距离较近处分布得多一些,可见带同种电荷时两球电荷中心间距离大于带异种电荷时电荷中心间距离,所以有F1【探究训练】如图所示,A、B是两个带电
小球,小球A固定在绝缘支架上,小球B用
绝缘细线悬挂,细线向右倾斜。下列说
法正确的是
( )
A.A、B带异种电荷
B.将A向右移动稍许,细线偏离竖直方向的幅度减小
C.将A向左移动稍许,细线偏离竖直方向的幅度增大
D.增大A的电荷量,细线偏离竖直方向的幅度增大
【解析】选D。对B球受力分析,受重力、静电力和细线的拉力,由于静电力表现为斥力,故两个小球带同种电荷,选项A错误;带电体之间的静电力随着距离的减小而增大,将A向右移动稍许,A、B间距离减小,静电力增大,根据平衡条件知细线偏离竖直方向的幅度增大,选项B错误;同理,将A向左移动稍许,则细线偏离竖直方向的幅度减小,选项C错误;增大A的电荷量,A、B间静电力增大,则细线偏离竖直方向的幅度增大,选项D正确。
【补偿训练】
用控制变量法,可以研究影响电荷间相互作用力的
因素。如图所示,O是一个带电的物体,若把系在丝线上
的带电小球先后挂在横杆上的P1、P2、P3等位置,可以
比较小球在不同位置所受带电物体的作用力的大小。
这个力的大小可以通过丝线偏离竖直方向的角度θ显
示出来。若物体O的电荷量用Q表示,小球的电荷量用q
表示,物体与小球间距离用d表示,物体和小球之间的作用力大小用F表示。则以下对该实验现象的判断正确的是
( )
A.保持Q、q不变,增大d,则θ变大,说明F与d有关
B.保持Q、q不变,减小d,则θ变大,说明F与d成反比
C.保持Q、d不变,减小q,则θ变小,说明F与q有关
D.保持q、d不变,减小Q,则θ变小,说明F与Q成正比
【解析】选C。保持Q、q不变,增大d,库仑力变小,则θ变小,减小d,库仑力变大,则θ变大。但不能说明F与d成反比,故A、B错误;保持Q、d不变,减小q,则库仑力变小,θ变小,知F与q有关,故C正确;保持q、d不变,减小Q,则库仑力变小,θ变小,但该现象不足以说明F与Q成正比,故D错误。
主题二 库仑定律的含义和应用
任务1 点电荷模型
【实验情境】
有一个半径为20
cm的带电圆盘,距离圆盘某处有一个电子。
【问题探究】
(1)能否把带电圆盘看作点电荷?
提示:能否把带电圆盘看作点电荷,不能只看大小,要视具体情况而定。若考虑它与10
m远处的一个电子的作用力时,完全可以把它看作点电荷;若电子距圆盘只有
1
mm,这一带电圆盘就相当于一个无限大的带电平面,因而不能看作点电荷。
(2)把带电体看成点电荷的条件是什么?
提示:当带电体的线度比相互作用的距离小很多时,带电体可视为点电荷。
(3)若圆盘不能看作点电荷,圆盘和电子间是否就不存在库仑力?
提示:仍存在库仑力,只不过库仑力大小不再满足库仑定律。
(4)在情境中根据F=
,当带电圆盘与电子的距离
r→0时,带电圆盘与电子间的作用力F→∞,这种说法
正确吗?
提示:不正确。因为当r→0时,两个带电体已经不能看
作点电荷,不能直接用库仑定律来计算它们之间的相互
作用力。
【结论生成】
1.对点电荷的理解:(物理观念)
(1)点电荷是物理模型:只有电荷量,没有大小、形状的理想化的模型,类似于力学中的质点,实际中并不存在。
(2)带电体看成点电荷的条件: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,带电体就能看成点电荷。
2.对库仑定律的四点理解:(物理观念)
(1)适用条件:库仑定律成立的条件是真空中两个点电荷间的相互作用力。但空气中两点电荷间的相互作用力也可以近似用库仑定律计算。
(2)库仑力的合成:空间中有多个电荷时,某电荷所受的静电力是其他所有电荷单独对其作用的库仑力的矢量和(力的合成)。
(3)库仑力的性质:两个点电荷之间相互作用的库仑力遵守牛顿第三定律,即两带电体间的库仑力是一对作用力与反作用力。不要认为电荷量大的电荷对电荷量小的电荷作用力大。
(4)库仑力的计算:用公式计算库仑力大小时,不必将表示电荷Q1、Q2的带电性质的正、负号代入公式中,只将其电荷量的绝对值代入即可;力的方向再根据同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引加以判别。
任务2 库仑定律的应用
【典例示范】在真空中某点电荷的电场中,在距该点电荷为r1处引入电荷量为q的检验电荷时,所受静电力大小为F,将该检验电荷放在距该点电荷为r2处时,受到的静电力大小为
( )
A.
F
B.
F
C.
F
D.
F
【解析】选C。由库仑定律知F=
。将该检验电荷放
在r2处时,F′=
。则F′=
F,故C正确。
【探究训练】
(多选)两个半径相同的金属小球(视为点电荷),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,则相互作用力可能为原来的
( )
A.
B.
C.
D.
【解析】选C、D。设两小球的电荷量分别为q和7q,则
原来相距r时的相互作用力F=k
=
。由于两球
的电性未知,接触后相互作用力的计算可分为两种情况:
①两球电性相同。相互接触时两球电荷量平均分配,每
球带电荷量为
=4q。放回原处后的相互作用力F1=
k
=k
,故
。
②两球电性不同。相互接触时电荷先中和再平分,每球
带电荷量为
=3q。放回原处后的相互作用力F2=
k
=k
,故
。
【补偿训练】
如图所示,两个质量均为m的完全相同的金属球壳a与b,其壳层的厚度和质量分布均匀,将它们固定于绝缘支座上,两球心间的距离为l且为球半径的3倍。若使它们带上等量异种电荷,使其电荷量的绝对值均为Q,那么a、b两球之间的万有引力F引和库仑力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
【解题指南】解答本题的关键是明确以下两点:
(1)万有引力定律的适用条件。
(2)库仑定律的适用条件。
【解析】选D。因为库仑定律只适用于可看作点电荷的
带电体,而本题中由于a、b两球壳所带异种电荷相互吸
引,使它们各自的电荷分布不均匀,即相互靠近的一侧
电荷分布比较密集,又因两球心间的距离l只是其半径r
的3倍,不满足l?r的要求,故不能将两带电球壳看成点
电荷,所以不能应用库仑定律。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只是其
半径r的3倍,但由于其壳层的厚度和质量分布均匀,故两球壳可看作质量集中于球心的质点。因此,可以应用万有引力定律。综上所述,对于a、b两带电球壳从整体来说,满足万有引力定律的适用条件,不满足库仑定律的适用条件,故只有选项D正确。
【课堂小结】(共71张PPT)
3.电场 电场强度
一、电场
1.电场:在电荷的周围存在着由它产生的电场。电场是
看不见、摸不着的。电场是在电荷周围_________的。
它像分子、原子等实物一样具有_____。场也是物质存
在的一种形式。
客观存在
能量
2.电场的性质:处在电场中的其他电荷受到的作用力
是这个_____给予的。
3.静电场:_________产生的电场。
电场
静止电荷
二、电场强度
1.试探电荷(检验电荷):电荷量和体积都很小的_____
___。
2.场源电荷(源电荷):激发电场的带电体所带的电荷
叫作_________或_______。
点电
荷
场源电荷
源电荷
3.电场强度:
(1)概念:试探电荷所受的静电力与它的电荷量_____,
叫作_________。
(2)物理意义:表示电场的_____和方向。
(3)定义式:E=
。
之比
电场强度
强弱
(4)方向:电场强度是___量,物理学中规定,电场中某点
的电场强度的方向与正电荷在该点所受的静电力的方
向_____,与负电荷在该点所受静电力的方向_____。
(5)单位:牛每库仑,符号是N/C。
矢
相同
相反
三、点电荷的电场 电场强度的叠加
1.真空中的点电荷的电场强度:________,它只适用于
真空中点电荷的场强计算。
2.电场强度的叠加:电场中某点的电场强度为各个点电
荷单独在该点产生的电场强度的_______。
矢量和
四、电场线
1.电场线:电场线是画在电场中的一条条有方向的曲线,
曲线上每点的切线方向都和该点的场强方向_____。电
场线虽然可以用实验的方法来模拟,但电场中并不存在
电场线,它只是为了形象地描述电场而引入的一种_____
的曲线。
相同
假想
2.电场线的特点:
(1)电场线从_______或无限远出发,终止于_______或
负电荷。
(2)电场线上每一点的切线方向表示该点的_________
方向。
(3)同一电场的电场线_______,不中断。
正电荷
无限远
电场强度
不相交
(4)电场线的疏密程度反映了场强的_____。电场线越
密的地方,场强_____;电场线越疏的地方,场强_____。
五、匀强电场
匀强电场:各点电场强度的大小_____、方向_____的
电场。
大小
越大
越小
相等
相同
主题一 电场强度的含义和表达式
任务 电场 电场强度
【实验情境】
A是一个带正电的物体,与系在丝线上的带电小球B之间会产生库仑力。
【问题探究】
(1)如图所示,电荷A、B间的相互作用是如何产生的?
提示:电荷A对电荷B的作用力,就是电荷A产生的电场对电荷B的作用;反之,电荷B对电荷A的作用力,就是电荷B产生的电场对电荷A的作用。
(2)电场的基本性质是什么?
提示:电场的基本性质就是对处在其中的其他电荷产生力的作用。
(3)同一电荷q在电场中不同点受到的电场力的方向和大小一般不同,这是什么原因造成的?
提示:因为电场具有方向性以及各点电场强弱不同的特点,所以造成同一电荷q在电场中不同点受到的电场力的方向和大小不同。
(4)如何描述电场的强弱?
提示:虽然可用同一电荷q在电场中各点所受电场力F的
大小来比较各点的电场强弱,但是电场力F的大小还和
电荷q的电量有关,所以不能直接用电场力的大小表示
电场的强弱。实验表明:在电场中的同一点,电场力F与
电荷电量q成正比,比值
由电荷q在电场中的位置所
决定,跟电荷电量q无关,是反映电场性质的物理量,所
以我们用
这个比值来表示电场的强弱。
(5)电场中某点的场强由什么决定?场强的方向是怎样的?
提示:电场中某点的场强仅由电场本身决定。场强为矢量,它的方向与正电荷(负电荷)所受电场力的方向相同(相反)。
【结论生成】(物质观念)
1.对电场强度的两点理解:
(1)电场强度是描述电场本身的力的性质的物理量。电场的基本性质是对放入其中的电荷有力的作用。
(2)电场强度是用比值法定义的物理量,电场强度的大小和方向只由电场本身特性决定,与放入其中的试探电荷无关。不能认为E和F成正比,和电量q成反比。
可以从两方面理解:
①电场强度的大小与该点放不放电荷、放入的电荷量的大小均无关。
②电场强度的方向与放入该点的正试探电荷的受力方向相同,是确定的,如果在该点放入负试探电荷,则场强方向与负试探电荷受力方向相反。
2.电场强度和电场力的比较:
电场强度E
电场力F
是反映电场本身的力的性质的物理量,其大小表示电场的强弱
仅指电荷在电场中的受力
定义式:E=
计算式:F=qE
电场强度E
电场力F
E的大小只取决于电场本身,与电荷q无关
F的大小由放在电场中某点的电荷q和该点的场强E共同决定
E是矢量,其方向与正电荷(+q)在该点受到的电场力的方向相同
F是矢量,对于正电荷(+q),其方向与E同向;对于负电荷
(-q),其方向与E反向
E的单位:牛/库
(N/C)
F的单位:
牛
(N)
【典例示范】
(2017·北京高考)如图所示,长l=1
m的轻质细绳上端固定,下端连接一个可视为质点的带电小球,小球静止在水平向右的匀强电场中,绳与竖直方向的夹角θ=
37°。已知小球所带电荷量q=1.0×10-6
C,匀强电场的场强E=3.0×103
N/C,重力加速度g取10
m/s2,
sin
37°=0.6,cos
37°=0.8,求:
(1)小球所受电场力F的大小。
(2)小球的质量m。
(3)将电场撤去,小球回到最低点时
速度v的大小。
【解析】(1)根据电场强度定义式可知,小球所受电场
力大小为:F=qE=1.0×10-6×3.0×103
N=3.0×10-3
N。
(2)小球受力分析如图所示
根据共点力平衡条件和图中几何关系有:mgtan37°=F
解得:m=4.0×10-4
kg。
(3)撤去电场后,由动能定理可得:mgl(1-cos37°)=
mv2-0
解得:v=
=2.0
m/s。
答案:(1)3.0×10-3
N (2)4.0×10-4
kg
(3)2.0
m/s
【探究训练】
1.(多选)下列关于电场和电场强度的说法正确的是
( )
A.电荷间的相互作用是通过电场产生的,电场最基本的特征是对处在它里面的电荷有力的作用
B.电场是人为设想出来的,其实并不存在
C.某点的场强越大,则同一电荷在该点所受到的电场力越大
D.某点的场强方向为试探电荷在该点受到的电场力的方向
【解析】选A、C。电场是电荷周围客观存在的一种特
殊物质,不是假想的,电荷间的相互作用是通过电场产
生的,故A正确,B错误;由E=
得F=Eq,当q一定时,E越
大,F越大,故C正确;场强方向规定为正电荷在该点受到
的电场力方向,与负电荷受电场力的方向相反,故D错
误。
2.如图所示,表示一个电场中a、b、c、d四点分别引入检验电荷时,测得检验电荷所受电场力与电荷量间的函数关系图像,那么下列说法中正确的是
( )
A.该电场是匀强电场
B.这四点场强的大小关系是Ed>Ea>Eb>Ec
C.这四点场强的大小关系是Ea>Eb>Ec>Ed
D.无法比较这四点场强的大小关系
【解析】选B。由公式E=
可得,F与q成正比,比值即场
强E。所以可得斜率越大,E越大,故B正确。
主题二 点电荷的电场 电场强度的叠加
任务 点电荷的电场
【实验情境】
如图所示,点电荷A的电荷量为+Q,在距+Q为r的某点P放一试探电荷+q。
【问题探究】
(1)如何求P点的场强的大小和方向?
提示:根据库仑定律,试探电荷所受的力F=k
,依电
场强度的定义E=
,则点电荷A在P点的场强大小为
E=k
;场强的方向与正电荷在P点的受力方向相同,故
其方向为沿AP的连线背离点电荷A。
(2)若试探电荷的电荷量为-q,P点的场强大小和方向又是怎样的?
提示:若试探电荷的电荷量为-q,P点的场强的大小和方向都不变。
(3)问题(1)中若点电荷A的电荷量为-Q,则P点的场强大
小和方向又如何呢?
提示:P点的场强大小E=k
,方向沿AP的连线指向点电
荷A。
(4)点电荷的场强公式在任何情况下都适用吗?
提示:公式E=k
只适用于真空中的点电荷。
(5)问题(1)中如果存在多个点电荷,空间某一点的电场
强度如何确定?
提示:①可以根据点电荷场强的计算式E=k
分别计算
出各个点电荷在该点所产生的电场强度的大小E1、
E2、E3…。
②根据各个点电荷电性的正、负确定E1、E2、E3…的方向。
③按照矢量合成的平行四边形定则求出合场强的大小和方向。
【结论生成】(科学思维)
1.两个场强公式E=
与E=k
的比较:
区别
公式
物理含义
引入过程
适用范围
是电场强度大小的定义式
F∝q,但E与F、q无关,E只反映某点电场的性质
适用于一切电场
区别
公式
物理含义
引入过程
适用范围
是真空中点电荷场强的决定式
由E=
和库仑定律导出,E由Q、r决定
在真空中,场源电荷Q是点电荷
2.电场强度的叠加:如果场源是多个点电荷,电场中某点的电场强度为各个点电荷单独在该点产生的电场强度的矢量和。例如,图中P点的电场强度,等于+Q1在该点产生的电场强度E1与-Q2在该点产生的电场强度E2的矢量和。
【典例示范】
如图所示,真空中xOy平面直角坐标系上的A、B、C三点构成等边三角形,边长L=2.0
m。若将电荷量均为q=+2.0
×10-6
C的两点电荷分别固定在A、B点,已知静电力常量k=9×109
N·m2/C2,求:
(1)两点电荷间的库仑力大小。
(2)C点的电场强度的大小和方向。
【解析】(1)根据库仑定律,A、B处两点电荷间的库仑
力大小为F=k
,
①
代入数据得F=9.0×10-3
N。
②
(2)A、B处两点电荷在C点产生的场强大小相等,均为
E1=k
,
③
A、B处两点电荷形成的电场在C点的合场强大小为
E=2E1cos30°,
④
联立③④式并代入数据得E≈7.8×103
N/C,场强E的方向沿y轴正方向。
答案:(1)9.0×10-3
N (2)7.8×103
N/C 方向沿y轴正方向
【规律方法】(1)利用点电荷场强公式先分别求出两点电荷在C点的场强。
(2)应用平行四边形定则求合场强。
【探究训练】
在x轴上有两个点电荷,一个带正电Q1,一个带负电Q2,且Q1=2Q2。用E1和E2分别表示两个电荷所产生的场强的大小,则在x轴上
( )
A.E1=E2的点只有一处;该点合场强为0
B.E1=E2的点共有两处;一处合场强为0,另一处合场强为2E2
C.E1=E2的点共有三处;其中两处合场强为0,另一处合场强为2E2
D.E1=E2的点共有三处;其中一处合场强为0,另两处合场强为2E2
【解析】选B。设两电荷连线长为L,E1=E2的点离Q2的距
离为x,由点电荷的场强E=k
知,当点在Q1、Q2连线外
侧时,
,解得x1=(
+1)L,此处两电场反
向,合场强为零。当点在连线之间时,
,
解得x2=(
-1)L,此处两电场同向,E=2E2。所以本题
选项B正确。
【补偿训练】
均匀带电的球壳在球外空间产生的电场等效于电荷集中于球心处产生的电场。如图所示,在半球面AB上均匀分布正电荷,总电荷量为q,球面半径为R,CD为通过半球面顶点与球心O的轴线,在轴线上有M、N两点,OM=
ON=2R。已知M点的场强大小为E,则N点的场强大小为
( )
A.
-E
B.
C.
-E
D.
+E
【解析】选A。左半球面AB上的正电荷产生的电场等效
为带正电荷量为2q的整个球面的电场和带电荷量为-q
的右半球面的电场的合电场,则E=
-E′,E为带电荷
量为-q的右半球面在M点产生的场强大小。带电荷量
为-q的右半球面在M点的场强大小与带正电荷量为q的
左半球面AB在N点的场强大小相等,则EN=E′=
-E=
-E,则A正确。
主题三 电场线性质
任务 电场线
【生活情境】
在容器中装上不导电的液体,液体上面撒上小草籽,容器上放置两个电极,就可以得到电场线的模拟图。
【问题探究】
(1)既然能用实验模拟电场线的形状,为什么说电场线不是客观存在的?
提示:因为电场是一种特殊的物质,无形无体,充满它所在的空间。实验之所以能模拟电场线的形状,是因为在引入电场线时,抓住“电场力”这一根本属性。实验显示的正是带电物体在电场中受到电场力所表现出来的位置改变。因此应该注意,虽然可以用实验来模拟电场线的形状,但并不能说明电场线是客观存在的。电场线是假想的,电场才是客观存在的。
(2)电场线是如何描述电场的强弱和方向的?
提示:电场线的疏密表示场强的大小,电场线密的地方场强大,电场线疏的地方场强小。电场线上任意一点的切线方向就是该点的场强方向。
(3)为什么电场中的电场线不相交?
提示:电场中某点的电场强度的大小和方向,根据其客观性是唯一确定的。若电场线能相交,由于交点的切线不唯一,交点处的电场强度失去了上述的唯一性,所以电场中的电场线在空间中是不能相交的。
【结论生成】
1.两种常见电场的比较:(科学思维)
比较项目
等量异种点电荷
等量同种点电荷
电场线分布图
两电荷连线上中点O处的场强
最小,指向负电荷一方
为零
比较项目
等量异种点电荷
等量同种点电荷
两电荷连线上的场强大小(从左到右)
沿连线先变小,再变大
沿连线先变小,再变大
沿中垂线由O点向外场强大小
O点最大,向外逐渐减小
O点最小,向外先变大后变小
关于O点对称的A与A′、B与B′的场强
等大同向
等大反向
2.电场线的四个特点:(科学思维)
(1)电场线不是电场中实际存在的线,而是为形象地描述电场而引入的假想的线,因此电场线是一种理想化模型。
(2)电场线始于正电荷或无限远,止于无限远或负电荷,在正电荷形成的电场中,电场线起于正电荷,延伸到无限远;在负电荷形成的电场中,电场线起于无限远,止于负电荷。
(3)电场线不闭合,不相交,也不是带电粒子的运动轨迹。
(4)在同一电场里,电场线越密的地方,场强越大,电场线越疏的地方,场强越小。
【拓展延伸】电场线与带电粒子运动轨迹重合必须满足的三个条件
(1)电场线是直线。
(2)带电粒子只受电场力作用,或受其他力,但其他力的方向沿电场线所在直线。
(3)带电粒子初速度为零或初速度的方向沿电场线所在的直线。
【典例示范】
如图所示,初速度为v的带电粒子(不计重力)从A点射入电场,沿虚线运动到B点,判断:
(1)粒子带什么电?
(2)粒子的加速度如何变化?
(3)画出A、B两点的加速度方向。
【解析】(1)粒子所受合力方向指向轨迹弯曲的一侧,由粒子的运动轨迹可知,带正电。
(2)由电场线的疏密情况可知粒子加速度增大。
(3)A、B两点的加速度方向即为该点所在电场线的切线方向,如图所示。
答案:(1)正电 (2)增大 (3)见解析图
【规律方法】(1)根据带电粒子轨迹的弯曲方向,判断出受力情况。
(2)把电场线方向、受力方向与电性相联系。
(3)把电场线的疏密和受力大小、加速度大小相联系。
【探究训练】
如图所示是电场中某区域的电场线分布,
A、B是电场中的两点,则
( )
A.正电荷在A点所受静电力方向必定与该点场强方向相反
B.同一点电荷放在A点受到的静电力比放在B点时受到的静电力大
C.B点的电场强度较大
D.A点的电场强度较大
【解析】选C。正电荷在A点所受静电力方向必定与该点场强方向一致,选项A错误;由题图可知,B点处电场线较密,电场强度较大,而A点处电场线较疏,电场强度较小,选项C正确,D错误;B点的电场强度比A点大,同一点电荷在B点受到的静电力较大,选项B错误。
【课堂小结】(共56张PPT)
4.静电的防止与利用
一、静电平衡
1.定义:导体中(包括表面上)没有电荷_________的状
态。
2.特点:导体内部场强处处为__。
定向移动
0
二、尖端放电
1.静电平衡时,导体内部___________,电荷只分布在导
体的_______。且在导体外表面,越尖锐的位置,电荷的
密度_____。
没有净电荷
外表面
越大
2.尖端放电:空气被电离后,那些所带电荷与导体尖端
的电荷电性相反的粒子,由于被吸引而奔向尖端,与尖
端上的电荷_____,相当于导体从尖端_________的现象。
中和
失去电荷
3.应用和防止:
(1)应用:避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设
施。
(2)防止:高压设备中导体的表面_________会减少电
能的损失。
尽量光滑
三、静电屏蔽
1.定义:当金属外壳达到静电平衡时,内部_____电场,
因而金属的外壳会对其_____起保护作用,使其_____
不受外部电场影响的现象。
2.应用:电学仪器外面有_______,野外高压线上方还有
_________与大地相连,都是利用静电屏蔽消除外电场
的影响。
没有
内部
内部
金属壳
两条导线
四、静电吸附
在电场中,带电粒子受到_______的作用,向着电极运动,
最后会被吸附在电极上。
静电力
主题一 静电平衡的特点和应用
任务 静电平衡下的导体
【实验情境】
如图所示,将一不带电的金属导体ABCD放到场强为E0的匀强电场中。
【问题探究】
(1)导体ABCD内部自由电子怎样移动?电子的移动最终会出现怎样的结果?
提示:①将呈电中性状态的金属导体放入场强为E0的匀
强电场中,导体内自由电子便受到与场强E0方向相反的
电场力作用,如图甲所示。②自由电子要向电场E0的反
方向做定向移动,并在导体的一个侧面聚集,使该侧面
出现负电荷,而相对的另一侧出现“过剩”的等量的正
电荷,导体沿着电场强度方向两端出现等量异种电荷,
如图乙所示。③等量异种电荷在导体内部形成与场强
E0反向的场强E′,在导体内任一点的场强可表示为E内=E0+E′,因附加电场E′总与外电场E0方向相反,叠加的结果削弱了导体内部的电场,随着导体两侧感应电荷的继续增加,附加电场E′增强,合场强E内将逐渐减小,当
E内=0时,自由电子的定向移动也就停止了,这时就达到了静电平衡状态,如图丙所示。
(2)在问题(1)中导体上感应电荷在导体内某点产生的场强多大?
提示:由于导体内场强为零,即感应电荷产生的电场与原电场的合场强为零,E′=E0。
(3)处于静电平衡状态的导体,其外部表面附近任何一点的场强方向与这点的表面有什么关系?
提示:垂直。假如导体表面的电场强度方向与该点的表面不垂直,则沿表面有电场强度的切向分量,在导体表面的自由电荷将受到库仑力的作用而发生定向移动,这与静电平衡相矛盾,故外部表面附近任何一点的场强方向与这点的表面相垂直。
(4)处于静电平衡状态的导体,其电势情况是怎样的?
提示:处于静电平衡状态的导体,内部场强处处为零,表
面电场强度垂直于导体表面。因此,当在导体内部移动
电荷时,就不受库仑力作用,没有库仑力做功,根据W=qU
得U=0,即导体内任意两点间的电势差为零,即等电势。
所以电场中的导体是一等势体,导体的表面是一等势
面。
【结论生成】(物理观念)
1.对静电平衡的理解:
(1)静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果,达到静电平衡时,自由电荷不再发生定向移动。
(2)金属导体达到静电平衡的时间是非常短暂的。
(3)导体达到静电平衡后,内部场强处处为零是指原电场的电场强度E0与导体两端感应电荷产生的场强E′的合场强为零。
2.静电平衡导体电荷分布特点:
(1)处于静电平衡状态的导体,内部的场强处处为零。
(2)处于静电平衡状态的整个导体是个等势体,它的表面是个等势面。
(3)导体内部没有净电荷,净电荷只分布在导体的表面。
(4)在导体表面,越尖锐的位置,电荷的密度越大,凹陷的位置几乎没有电荷。
【典例示范】
长为l的导体棒原来不带电,现将一带电荷量为+q的点电荷放在距棒左端R处,如图所示。当棒达到静电平衡后,下列关于棒上的感应电荷在棒内中点处产生的场强大小和方向判断正确的是
( )
A.
向左
B.
向右
C.
向左
D.
向右
【解题指南】解答本题应把握以下两点:
(1)本题中感应电荷是面分布,不是点电荷,且电荷量未
知,不能直接用E=k
求解。
(2)静电平衡状态下导体内部场强处处为零,即感应电
荷产生的场强与外电场的场强等大反向。
【解析】选C。导体棒在点电荷+q的电场中发生静电感
应,左端表面出现负电荷,右端表面出现正电荷。棒内
任何一点都有两个电场,即外电场:+q在该点形成的电
场E0;附加电场:棒上感应电荷在该点形成的电场E′。
达到静电平衡时棒内场强为零,即E′=E0。题中所求的
即为E′,于是我们通过上述等式转化为求E0。棒中点
距离+q为r=R+
,于是E′=E0=
,E′和E0方向
相反,故E′方向向左,故C正确。
【规律方法】静电平衡导体电荷分布的分析方法
(1)“远近观”法:处于静电平衡状态的导体,离场源电荷较近和较远的两端感应出等量的异种电荷,而导体的中间部分因感应电荷较少,可认为无感应电荷产生,如图甲所示。
(2)“整体观”法:
①当两个或多个原来彼此绝缘的导体接触或用导线连接时,就可把它们看作是一个大导体,再用“远近观”法判断它们的带电情况,如有些问题所提到的“用手触摸某导体”其实就是导体通过人体与大地构成一个大导体。
②不要认为导体内部没有电荷,用导线连接带电体内部时,小球Q就不带电。其实连接后就已成为一个整体,故小球通过导线得到了电荷,如图乙所示。
【探究训练】
1.如图所示,把一个不带电的枕形导体靠近带正电的小球,由于静电感应,在a、b端分别出现负、正电荷,以下说法正确的是
( )
A.闭合开关S1,有电子从枕形导体流向大地
B.闭合开关S2,有电子从枕形导体流向大地
C.闭合开关S1,有电子从大地流向枕形导体
D.闭合开关S2,没有电子通过开关S2
【解析】选C。在开关S1、S2都闭合前,对于枕形导体,它的电荷是守恒的,a、b两端出现等量负、正电荷。当闭合开关S1、S2中的任何一个以后,便把枕形导体与大地连通,使大地也参与了电荷转移。因此,枕形导体本身的电荷不再守恒,而是枕形导体与大地构成的系统中电荷守恒。由于静电感应,a端仍为负电荷,大地远处感应出等量正电荷,因此无论闭合开关S1还是开关S2,都会有电子从大地流向枕形导体,故选项C正确。
2.一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10-8
C的正电荷,上端开有适当小孔,有绝缘柄的金属小球B带有2×10-8
C的负电荷,使B球和A球内壁接触,如图所示,则A、B带电荷量分别为
( )
A.QA=10-8
C,QB=10-8
C
B.QA=2×10-8
C,QB=0
C.QA=0,QB=2×10-8
C
D.QA=4×10-8
C,QB=-2×10-8
C
【解析】选B。A、B两带电小球接触中和后净电荷只分布在外表面上,故B项正确。
【补偿训练】
(多选)如图所示,在真空中把一导体AB向带负电的小球P缓慢地靠近(不接触,且未发生放电现象)时,下列说法中正确的是
( )
A.B端的感应电荷越来越多
B.导体内部场强越来越大
C.导体的感应电荷在M点产生的场强大于在N点产生的场强
D.导体的感应电荷在M、N两点产生的场强相等
【解题指南】解答本题应明确以下两点:
(1)导体处于静电平衡时内部场强处处为零,即E感=
-E外。
(2)点电荷的场强公式E=k
。
【解析】选A、C。导体靠近带负电的小球P时,导体中
的自由电子受到带负电小球P产生的电场的作用,不断
地向B端移动,B端的感应电荷不断增多,故选项A正确。
由于导体AB缓慢移动,故导体处于静电平衡是在很短的
时间内完成的。带负电小球P产生的电场和导体AB上感
应电荷产生的电场叠加的结果会使导体内部各处的合
场强总等于零,故选项B错误。M点距小球P的距离比N点
要近,由E=k
可知,带负电小球P在M点产生的场强大
于在N点产生的场强,而导体内部的合场强处处为零,那
么导体上的感应电荷在M点产生的附加电场的场强就大
于在N点产生的附加电场的场强,故选项C正确,选项D错
误。
主题二 静电的应用与静电危害的防止
任务1 静电的利用与防护
【生活情境】
如图所示,在工厂里,靠近传送带的工人经常受到电击。经研究发现,这是由于传送带在传送过程中带上了电。
【问题探究】
(1)解释为什么靠近传送带的物体会带电?
提示:传送带因为与被传送的物体间发生摩擦而带电,靠近传送带的物体因为感应也带上电。
(2)你可以用什么方法来解决这个问题?
提示:要避免这种电击,可以把导体材料如金属丝等掺到传送带材料中,让传送带变成导体,或者用导体制造传送带,再用适当的方法把传送带接地,静电便不会积累,工人也不会再遭电击。
任务2 静电屏蔽
【实验情境】
如图甲,金属网罩不带电,罩内小球带正电,将验电器靠近金属网罩,如图乙,把金属网罩接地。
【问题探究】
(1)情境中,图甲验电器的箔片是否张开?
(2)图乙验电器的箔片是否张开?
(3)这些现象说明了什么?
提示:(1)金属网罩不带电,罩内小球带正电,将验电器靠近金属网罩,验电器箔片张开。(2)把金属网罩接地,则验电器箔片不张开。(3)这些现象说明金属网罩不接地时内部带电体产生的电场能影响外界;金属网罩接地时,内部电场不影响外界。
【结论生成】(科学思维)
1.静电屏蔽的实质:
静电屏蔽的实质是利用了静电感应现象,使金属壳内感应电荷的电场和外加电场矢量和为零,好像是金属壳将外电场“挡”在外面,即所谓的屏蔽作用,其实是壳内两种电场并存,矢量和为零而已。
2.静电屏蔽的两种情况:
(1)导体内空腔不受外界影响,如图甲所示。
(2)接地导体空腔外部不受内部电荷影响,如图乙所示。
【典例示范】
一个不带电的空心金属球,在它的球心处放一个正电荷,其电场分布是图中的
( )
【解题指南】解答本题应明确以下三点:
(1)静电感应的规律。
(2)静电平衡状态的特点。
(3)电场线的分布规律。
【解析】选B。根据静电感应,空心球的内侧感应出负电荷,外表面带正电荷,球壳内部场强处处为零,电场线中断,根据电场线的特点可知B正确,A、C、D错误。
【探究训练】
如图所示,把原来不带电的金属壳B的外表面接地,将一带正电的小球A从小孔中放入球壳内,但不与B发生接触,达到静电平衡后,则
( )
A.B的空腔内电场强度为零
B.B不带电
C.B的外表面带正电
D.B的内表面带负电
【解析】选D。因为金属壳的外表面接地,所以外表面没有感应电荷,只有内表面有感应电荷分布,由于A带正电,B的内表面带负电,D正确,B、C错误;B的空腔内有带正电的小球A产生的电场和金属壳内表面感应电荷产生的电场,所以空腔内电场强度不为零,A错误。
【补偿训练】
(多选)下面四幅图中涉及静电屏蔽现象的有( )
A.烟囱上的铁针
B.办公用复印机
C.输电线上方的两条与大地相连的导线
D.用来装硬盘的铝箔袋
【解析】选C、D。当带电云层靠近建筑物时,避雷针上产生的感应电荷会通过针尖放电,逐渐中和云中的电荷,使建筑物免遭雷击,其原理为尖端放电,故A错误;办公用复印机,是静电的应用,故B错误;高压输电线上方还有两条导线,这两条导线的作用是它们与大地相连,形成稀疏的金属“网”把高压线屏蔽起来,免遭雷击,故C正确;用来装硬盘的铝箔袋,起到静电屏蔽的作用,故D正确。
【课堂小结】(共3张PPT)
阶段复习课
第九章
【核心速填】
①摩擦起电 ②接触起电 ③F=
④E=___
⑤静电感应
高考赘源网
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W
2
圭
温馨提示
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知识体系构建
定义式:④
正、负电荷
基本性质
决定式
点电荷
电场
电场强度
方向
元电荷
电场强度的叠加
特点
感应起电物体带电的三种方式电荷
电场电场强度电场线
几种常见电场的电场线
②
运动状态的分析
电荷守恒定律
静电场
带电粒子在电场中的运动
功能观点分析
内容
表达式:③
适用条厂库仑定律}
静电场中的导体静电力平衡义
静电屏蔽特点
