高中物理人教版（2019）必修第三册9.2 库仑定律（共26张ppt）

(共26张PPT)
第九章
静电场及其应用
第二节
库仑定律
第二节|库仑定律
核心素养点击
物理观念
了解探究实验中的控制变量以及探究库仑定律的建立过程；理解库仑定律内容以及适用条件，掌握库仑定律的计算方法
科学思维
经历库仑定律的建立过程的实验，了解使物体带电的方法，能从物质微观结构的角度认识物体带电的本质
科学探究
通过探究实验中的控制变量，培养学生观察、分析的能力，了解库伦扭秤实验
科学态度与责任
通过探究实验，培养他们交流沟通的能力，提高理论与实践相结合的能力
梳理主干新知初感悟
一、电荷之间的作用力
1、库仑定律：两个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。这种点电荷之间的作用，相互作用力叫做静电力或库仑力。
2、点电荷：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，这样的带电体可以看作带电的点，叫作点电荷。
演示实验
带正电的带电体C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。带电体C与小球间的作用力会随距离的不同怎样改变呢？
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？
探究影响电荷间相互作用力的因素
悬挂的小球受重力、拉力和电荷间相互作用力，悬线与竖直方向的夹角为α，则电荷间作用力F＝mgtan
α。偏角α越大，这表明电荷间作用力越大。
演示一：让带电物体A靠近悬挂在丝线上的带正电小球，观察在不同距离时小球的偏转角度。
演示二：使小球处于同一位置，增大或减少小球所带的电荷量，观察小球的偏角的变化关系。
结论：电荷之间的作用力随电荷量的增大而增大，随距离的增大而减小。
元电荷、点电荷与带电体的区别
元电荷
一个电子或一个质子所带电荷量的绝对值，是电荷量的最小单位
点电荷
理想化模型，即带电的点。研究问题时不考虑大小和形状，只考虑所带电荷量。点电荷所带电荷量可以很大，也可以很小，但一定是元电荷的整数倍
带电体
有一定的体积和形状，带电体分为带电导体和带电绝缘体。如果受到其他电荷作用时，带电导体上的电荷由于静电感应一般会重新分布
二、库伦的实验
1、实验方法：控制变量法、微量放大法。
2、库仑定律表达式：
。
式中的是比例系数，叫作静电力常量。当两个点电荷所带的电荷量为同种时，它们之间的作用力为斥力；反之，为异种时，它们之间的作用力为引力。
3、在国际单位制中，电荷量的单位是库仑（C），力的单位是牛顿（N），距离的单位是米（m）。的数值是
库仑扭秤
库仑做实验用的装置叫作库仑扭秤。如图A是带电小球，B是不带电的小球，B与A的重力平衡，另一带电小球C靠近A时，A与C的作用力使悬丝扭转，通过悬丝扭转的角度比较力的大小。
通过实验发现力与距离的二次方成反比，即
；电荷之间的作用力与电荷量的乘积成正比，即
库仑定律表达式：
。
式中的是比例系数，叫作静电力常量。当两个点电荷所带的电荷量为同种时，它们之间的作用力为斥力；反之，为异种时，它们之间的作用力为引力。
库仑定律的适用条件
1、“点电荷”条件：
只有电荷的大小线度远比它们间的距离小，可以不计电荷的大小线度，而可视作点电荷时，二者的距离r才是确定的。任意的带电物体，可以看作由许许多多的很小的电荷元组成，每个电荷元可看作点电荷。两个有一定形状的带电体之间的作用力，等于一个带电体的每个电荷元与另一个带电体的每一个电荷元的相互作用的矢量和。任意两个电荷元之间的静电力都遵守库仑定律。
2、“静止”条件：
是指两个点电荷在所选定的参考系中是静止的，电荷静止也是静电场的前提。如果电荷相对于参考系运动，除激发电场外，还要激发磁场
(后面的章节将会学习)，运动电荷对其他电荷的作用力既有电场力又有磁场力，此时，库仑定律不能反映运动电荷之间的作用。
3、“真空中”条件：
当电荷处在介质中时，介质要极化，从而出现极化电荷。因此处于介质中的两个点电荷
和
必然伴随着一定数量的极化电荷。于是，每一个点电荷受的力，将是另一个点电荷和所有极化电荷对它的作用力的矢量和。尽管这两个点电荷之间以及每一个极化电荷元对点电荷的作用力仍遵守库仑定律，但每一个点电荷受的电场力显然不再是了。也就是说不能只考虑和并用库仑定律去求两个电荷受的力。
【典例一】
1、真空中两个完全相同、带等量同种电荷的金属小球A和B(可视为点电荷），分别固定在两处，它们之间的静电力为F。
用一个不带电的同样金属球C先后与A、B球接触，然后移开球C，此
时A、B球间的静电力为(
)
A.
B.
C.
D.
解题思路：设A、B两小球开始时的带电荷量均为距离为，用一个不带电的同样小球C先后与A、B两小球接触，与A小球接触后，A、C两小球的带电荷量均为
,C再与B小球接觖后，B、C两小球的带电荷量均为
,由库仑定律知，接触前A、B两小球间的静电力为
,C与A、B两小球接触后A、B两小球间的静电力为,故选项
C
正确。
答案：C
三、静电力计算
1、在研究微观带电粒子的相互作用时，可以把万有引力忽略。
2、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点电荷的作用力的矢量和。
库仑力的叠加原理
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点电荷的作用力的矢量和；
当多个点电荷之间存在时，每个点电荷之间的库仑力都遵循库仑定律。某一点电荷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出其合力。
【典例二】
2、如图,三个固定的带电小球
a、b和c,相互间的距离分别为。小球c所受库仑力的合力的方向平衡于a、b的连线。设小球
a、b所带电荷量的比值的绝对值为k,则(
)
A.
a、b的电荷同号,
B.
a、b的电荷异号,
C.
a、b的电荷同号,
D.
a、b的电荷异号,
解题思路：对小球c所受库仑力分析,画出a对c的库仑力和b对c的库仑力,a对c的库仑力为排斥力,
ac的电荷同号,b对c的库仑力为吸引力,
bc电荷为异号,所以ab的电荷为异号。设
ac与
bc的夹角为θ,利用平行四边形定则和几何关系、库仑定律可得,
,
,电荷量的比值,联立解得:
,选项D正确。
答案：D
【基础练习】
1、关于库仑定律，下列说法中正确的是(
)
A．库仑定律适用于点电荷，点电荷其实就是体积很小的球体
B．根据,当两电荷的距离趋近于零时，静电力将趋向无穷大
C．若点电荷
的电荷量大于
的电荷量，则
对
的静电力大于
对
的静电力
D．库仑定律和万有引力定律的表达式相似，都是平方反比定律
答案：D
解析：A.库仑定律适用于点电荷，点电荷并不是体积很小的球体，故A错误。
B.当两个点电荷距离趋于0时,两带电体已不能看出点电荷了,该公式
，不适用了，故电场力并不是趋于无穷大，故B错误。
C.两点电荷之间的作用力是相互的,根据牛顿第三定律,无论点电荷
的电荷量与
的电荷量大小如何,
对的电场力大小上总等于
对
电场力。故C错误。
D.库仑定律的表达式为,万有引力定律的表达为
，故两表达式相似，都是平方反比定律，故D正确。
故选：D
2、在真空中有甲、乙两个点电荷，其相互作用力为F．要使它们之间的相互作用力为2F，下列方法可行的是(
)
A．使甲、乙电荷量都变为原来的倍
B．使甲、乙电荷量都变为原来的
倍
C．使甲、乙之间距离变为原来的2倍
D．使甲、乙之间距离变为原来的
倍
答案：B
解析：真空中有两个点电荷，它们之间相互作用力为F，即为
；当它们之间的相互作用力为2F，则有：保持距离不变，使甲、乙电荷量都变为原来的
倍，则库仑力变为2倍，故A错误；B正确；
保持两点电荷的电量不变，使它们间的距离变为原来的
倍，则库仑力变为2倍，故C、D错误。
3、如图，空间存在一方向水平向右的匀强电场，两个带电小球P和Q用相同的绝缘细绳悬挂在水平天花板下，两细绳都恰好与天花板垂直，则（
）
A．P和Q都带正电荷
B．P和Q都带负电荷
C．P带正电荷，Q带负电荷
D．P带负电荷，Q带正电荷
答案：D
解析：AB、受力分析可知，P和Q两小球，不能带同种电荷，AB错误；
CD、若P球带负电，Q球带正电，如下图所示，恰能满足题意，则C错误D正确，故本题选D。
4、如图所示,直径为L的光滑绝缘半圆环固定在竖直面内,电荷量为
的两个正点电荷分别置于半圆环的两个端点A、B处,半圆环上穿着一带正电的小球(可视为点电荷),小球静止时位于P点,
PA与AB间的夹角为α。若不计小球的重力,下列关系式中正确的是(
)
A.
B.
C.
D.
答案：A
解析：对小球进行受力分析如图所示：
根据库仑定律,
①
，
②
小球在与
垂直的方向平衡
根据平衡条件有
③
联立①②③解得
,故B、C、D错
误，A正确。