
一、點(diǎn)電荷
1.點(diǎn)電荷:如果一個(gè)帶電體本身的大小比它與其他帶電體的距離小得多,電荷在帶電體上的具體分布情況可以忽略,這個(gè)帶電的點(diǎn)稱為點(diǎn)電荷。
2.點(diǎn)電荷是理想化的物理模型,只有電荷量,沒有大小、形狀,類似于力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn),實(shí)際不存在(選填“存在”或“不存在”)。
二、庫侖定律
1.基本方法:控制變量法。
(1)探究電荷間的作用力的大小跟距離的關(guān)系
電荷量不變時(shí),電荷間的距離增大,作用力減?。痪嚯x減小,作用力增大。
(2)探究電荷間作用力的大小跟電荷量間的關(guān)系
電荷間距離不變時(shí),電荷量增大,作用力增大;電荷量減小,作用力減小。
2.庫侖定律
(1)內(nèi)容:在真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力,其大小與它們的電量q1、q2的乘積成正比,與它們之間距離r的二次方成反比,作用力的方向在它們的連線上。
(2)公式:F=keq \f(q1q2,r2),k叫靜電力常量,數(shù)值k=9.0×109 N·m2/C2。
1.正誤判斷(正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”)
(1)體積很小的帶電體都能看做點(diǎn)電荷。(×)
(2)庫侖定律適用于點(diǎn)電荷,點(diǎn)電荷其實(shí)就是體積很小的球體。(×)
(3)相互作用的兩個(gè)點(diǎn)電荷,不論它們的電荷量是否相等,它們之間的庫侖力大小一定相等。 (√)
(4)庫侖定律是庫侖在前人工作的基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的規(guī)律。(√)
2.下列關(guān)于點(diǎn)電荷的說法正確的是( )
A.體積大的帶電體一定不能看作點(diǎn)電荷
B.點(diǎn)電荷的電荷量一定是1.6×10-19 C
C.點(diǎn)電荷是一個(gè)理想化模型
D.研究帶電體的相互作用時(shí),所有帶電體都可以看作點(diǎn)電荷
C [當(dāng)帶電體的形狀和大小對(duì)所研究的問題的結(jié)果影響可忽略不計(jì)時(shí),可將帶電體視為點(diǎn)電荷,故A錯(cuò)誤;點(diǎn)電荷是將帶電物體簡(jiǎn)化為一個(gè)帶電的點(diǎn),元電荷為1.6×10-19 C,是電量的最小值,點(diǎn)電荷的值可以等于元電荷,也可以是元電荷的整數(shù)倍,故B錯(cuò)誤;點(diǎn)電荷是理想化的物理模型,故C正確;研究帶電體的相互作用時(shí),并不是所有帶電體都可以看作點(diǎn)電荷,只有滿足條件的帶電體才能視為點(diǎn)電荷,故D錯(cuò)誤。]
3.(多選)對(duì)于庫侖定律,下列說法正確的是( )
A.凡計(jì)算真空中兩個(gè)點(diǎn)電荷間的相互作用力,都可以使用公式F=keq \f(q1q2,r2)
B.兩個(gè)帶電小球即使相距非常近,也能用庫侖定律
C.相互作用的兩個(gè)點(diǎn)電荷,不論它們的電荷量是否相同,它們之間的庫侖力大小一定相等
D.當(dāng)兩個(gè)半徑為r的帶電金屬球中心相距為4r時(shí),對(duì)于它們之間的靜電作用力的大小,只取決于它們各自所帶的電荷量
AC [庫侖定律適用于真空中的兩個(gè)點(diǎn)電荷,當(dāng)兩個(gè)帶電小球離得非常遠(yuǎn)時(shí),可以看成點(diǎn)電荷來處理,而非常近時(shí)帶電體的電荷分布會(huì)發(fā)生變化,不再均勻,故不能用庫侖定律來解題,兩點(diǎn)電荷間的力是作用力和反作用力,所以AC正確。]
點(diǎn)電荷是理想化的物理模型,只有電荷量,沒有大小、形狀,類似于力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)。
(1)只有體積很小或電荷量很小的帶電體才可以看做點(diǎn)電荷嗎?
(2)點(diǎn)電荷就是元電荷嗎?
提示:(1)不是。一個(gè)帶電體能否看做點(diǎn)電荷,是相對(duì)于具體問題而言的,與體積大小和電荷量大小無關(guān)。
(2)不是。點(diǎn)電荷是一種理想化的物理模型,元電荷是最小電荷量。
1.點(diǎn)電荷是物理模型
只有電荷量,沒有大小、形狀的理想化的模型,類似于力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn),實(shí)際中并不存在。
2.帶電體能看成點(diǎn)電荷的條件
如果帶電體間的距離比它們自身的大小大得多,以至于帶電體的形狀和大小對(duì)相互作用力的影響很小,就可以忽略形狀、大小等次要因素,只保留對(duì)問題有關(guān)鍵作用的電荷量,帶電體就能看成點(diǎn)電荷。
3.元電荷與點(diǎn)電荷
(1)元電荷是一個(gè)電子或一個(gè)質(zhì)子所帶電荷量的絕對(duì)值,是電荷量的最小單位。
(2)點(diǎn)電荷只是不考慮帶電體的大小和形狀,是帶電個(gè)體,其帶電荷量可以很大也可以很小,但它一定是一個(gè)元電荷電荷量的整數(shù)倍。
【例1】 關(guān)于點(diǎn)電荷,下列說法正確的是( )
A.體積小的帶電體在任何情況下都可以看成點(diǎn)電荷
B.所有的帶電體在任何情況下都可以看成點(diǎn)電荷
C.帶電體的大小和形狀對(duì)研究它們之間的作用力的影響可以忽略不計(jì)時(shí),帶電體可以看成點(diǎn)電荷
D.通常把帶電小球看成點(diǎn)電荷,帶電小球靠得很近時(shí),它們之間的作用力為無限大
C [電荷的形狀、體積對(duì)分析的問題的影響可以忽略時(shí),就可以看成是點(diǎn)電荷,所以體積很大的帶電體也有可能看成是點(diǎn)電荷,體積小的帶電體有時(shí)不能看作點(diǎn)電荷,所以A錯(cuò)誤;電荷的形狀、體積對(duì)分析問題的影響可以忽略時(shí),就可以看成是點(diǎn)電荷,并不是所有帶電體都能看作點(diǎn)電荷,所以B錯(cuò)誤;帶電體的大小和形狀對(duì)研究它們之間的作用力的影響可以忽略不計(jì)時(shí),帶電體可以看成點(diǎn)電荷,所以C正確;通常把帶電小球看成點(diǎn)電荷,帶電小球靠得很近時(shí),庫侖定律不再適用,所以D錯(cuò)誤。]
對(duì)點(diǎn)電荷的兩點(diǎn)理解
(1)帶電體能否看作點(diǎn)電荷,不取決于帶電體的大小,而取決于它們的大小、形狀與距離相比能否忽略。
(2)同一帶電體,在不同問題中有時(shí)可以看作點(diǎn)電荷,有時(shí)不可以看作點(diǎn)電荷。
eq \([跟進(jìn)訓(xùn)練])
1.(多選)關(guān)于元電荷和點(diǎn)電荷,下列說法中正確的是( )
A.電子就是元電荷
B.元電荷的電荷量等于電子或質(zhì)子所帶的電荷量
C.電子一定是點(diǎn)電荷
D.帶電小球也可能視為點(diǎn)電荷
BD [電子和質(zhì)子是實(shí)實(shí)在在的粒子,而元電荷只是一個(gè)電量單位,A錯(cuò)誤,B正確;帶電體能否看成點(diǎn)電荷,不能以體積大小、電荷量多少而論,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以忽略,即可視為點(diǎn)電荷,C錯(cuò)誤,D正確。]
(1)在當(dāng)時(shí)沒有足夠精密的測(cè)量?jī)x器的情況下,庫侖是如何測(cè)量?jī)牲c(diǎn)電荷之間的作用力的?
(2)當(dāng)時(shí)庫侖是如何比較電荷的多少的?
提示:(1)“庫侖扭秤”利用彈性懸絲受力就會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn),通過比較懸絲的扭轉(zhuǎn)角度就可以比較帶電小球之間的作用力的大小。
(2)庫侖根據(jù)對(duì)稱性原理,兩個(gè)相同的金屬球接觸后所帶電荷量應(yīng)均等。
1.探究影響電荷間相互作用力的因素
2.庫侖定律的適用條件
(1)真空
(2)點(diǎn)電荷
這兩個(gè)條件都是理想化的,在空氣中庫侖定律也近似成立。
3.靜電力的大小計(jì)算和方向判斷
(1)大小計(jì)算
利用庫侖定律計(jì)算大小時(shí),不必將表示電性的正、負(fù)號(hào)代入公式,只代入q1、q2的絕對(duì)值即可。
(2)方向判斷
在兩電荷的連線上,同種電荷相斥,異種電荷相吸。
(3)兩個(gè)形狀規(guī)則的均勻球體相距較遠(yuǎn)時(shí)可以看做點(diǎn)電荷;相距較近時(shí)不能看做點(diǎn)電荷,此時(shí)球體間的作用力會(huì)隨著電荷的分布而變化。
【例2】 (多選)兩個(gè)用相同材料制成的半徑相等的帶電金屬小球(可看成點(diǎn)電荷),其中一個(gè)球的帶電量的絕對(duì)值是另一個(gè)的5倍,當(dāng)它們靜止于空間某兩點(diǎn)時(shí),靜電力大小為F,現(xiàn)將兩球接觸后再放回原處,則它們間靜電力的大小可能為( )
A.eq \f(5,9)F B.eq \f(4,5)F C.eq \f(5,4)F D.eq \f(9,5)F
思路點(diǎn)撥:(1)兩金屬小球所帶電荷的性質(zhì)不一定相同。
(2)兩金屬小球接觸后再放回原處時(shí),所帶的電量、電性均相同。
BD [設(shè)一個(gè)球的帶電量絕對(duì)值為Q,則另一個(gè)球的帶電量絕對(duì)值為5Q,此時(shí)F=keq \f(5Q2,r2),若兩球帶同種電荷,接觸后再分開,兩球電量的絕對(duì)值為3Q,則兩球的庫侖力大小F′=keq \f(9Q2,r2)=eq \f(9F,5);若兩球帶異種電荷,接觸后再分開,兩球電量的絕對(duì)值為2Q,此時(shí)兩球的庫侖力F″=keq \f(4Q2,r2)=eq \f(4,5)F。故BD正確,AC錯(cuò)誤。]
應(yīng)用庫侖定律的三點(diǎn)注意
(1)F=keq \f(q1q2,r2),r指兩點(diǎn)電荷間的距離,對(duì)可視為點(diǎn)電荷的兩個(gè)均勻帶電球,r為兩球心間距。
(2)當(dāng)兩個(gè)電荷間的距離r→0時(shí),電荷不能視為點(diǎn)電荷,它們之間的靜電力不能認(rèn)為趨于無限大。
(3)不必將表示電性的正、負(fù)號(hào)代入公式,庫侖力的方向可以根據(jù)“同性相斥、異性相吸”的規(guī)律判斷。
eq \([跟進(jìn)訓(xùn)練])
2.如圖所示,兩個(gè)半徑均為r的金屬球放在絕緣支架上,兩球面最近距離為r,帶等量異種電荷,電荷量為Q,兩球之間的靜電力為下列選項(xiàng)中的哪一個(gè)( )
A.等于keq \f(Q2,9r2) B.大于keq \f(Q2,9r2)
C.小于keq \f(Q2,9r2) D.等于keq \f(Q2,r2)
B [由于兩金屬球帶等量異種電荷,電荷間相互吸引,因此電荷在金屬球上的分布向兩球靠近的一面集中,電荷間的距離就要比3r小。根據(jù)庫侖定律,靜電力一定大于keq \f(Q2,9r2),正確選項(xiàng)為B。]
真空中有三個(gè)點(diǎn)電荷,它們固定在邊長(zhǎng)50 cm的等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上,每個(gè)點(diǎn)電荷都是 +2×10-6 C,如何求Q3所受的庫侖力?由此可以得出什么樣的結(jié)論?
提示:先分別求出Q1和Q2對(duì)Q3的作用力,然后進(jìn)行矢量疊加,說明兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的作用力不因第三個(gè)點(diǎn)電荷的存在而有所改變。
1.庫侖力的特征
(1)真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷間相互作用力的大小只跟兩個(gè)點(diǎn)電荷的電荷量及間距有關(guān),跟它們的周圍是否存在其他電荷無關(guān)。
(2)兩個(gè)電荷之間的庫侖力同樣遵守牛頓第三定律,與兩個(gè)電荷的性質(zhì)、帶電多少均無關(guān),即互為作用力與反作用力的兩個(gè)庫侖力總是等大反向。
(3)庫侖力是電荷之間的一種相互作用力,具有自己的特性,與重力、彈力、摩擦力一樣是一種“性質(zhì)力”。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),與其他力一樣,受力分析時(shí)不能漏掉,對(duì)物體的平衡或運(yùn)動(dòng)起著獨(dú)立的作用。
2.庫侖力的疊加
(1)對(duì)于三個(gè)或三個(gè)以上的點(diǎn)電荷,其中每一個(gè)點(diǎn)電荷所受的庫侖力,等于其余所有點(diǎn)電荷單獨(dú)對(duì)它作用產(chǎn)生的庫侖力的矢量和。
(2)電荷間的單獨(dú)作用符合庫侖定律,求各庫侖力的矢量和時(shí)應(yīng)用平行四邊形定則。
3.帶電體在庫侖力作用下可能處于靜止?fàn)顟B(tài),也可能處于加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài),解決這類問題的一般方法是:
(1)受力分析:除分析重力、接觸力之外,還要分析庫侖力的作用。
(2)狀態(tài)分析:通過分析確定帶電體是處于平衡狀態(tài)還是處于加速狀態(tài)。
(3)根據(jù)條件和物理規(guī)律列方程求解。
【例3】 在真空中有兩個(gè)相距為r的點(diǎn)電荷A和B,帶電荷量分別為q1=-q,q2=4q。
(1)若A、B固定,在什么位置放入第三個(gè)點(diǎn)電荷q3,可使之處于平衡狀態(tài)?平衡條件中對(duì)q3的電荷量及正負(fù)有無要求?
(2)若以上三個(gè)點(diǎn)電荷皆可自由移動(dòng),要使它們都處于平衡狀態(tài),對(duì)q3的電荷量及電性有何要求?
思路點(diǎn)撥:(1)第(1)問中,看q3是放在A、B的連線還是延長(zhǎng)線上,能滿足q3平衡的兩個(gè)力方向相反,然后用庫侖定律表示出兩個(gè)力即可。
(2)第(2)問中,讓q3平衡可確定q3的位置,再讓q1或q2中的一個(gè)平衡,便可建三點(diǎn)電荷二力平衡等式確定q3的電荷量及電性。
[解析] (1)q3受力平衡,必須和q1、q2在同一條直線上,因?yàn)閝1、q2帶異種電荷,所以q3不可能在它們中間。再根據(jù)庫侖定律,庫侖力和距離的平方成反比,可推知q3應(yīng)該在q1、q2的連線上,且在q1的外側(cè)(離帶電荷量少的電荷近一點(diǎn)的地方),如圖所示,設(shè)q3離q1的距離是x,根據(jù)庫侖定律和平衡條件列式:
keq \f(q3q1,x2)-keq \f(q3q2,?x+r?2)=0
將q1、q2的已知量代入得:x=r,對(duì)q3的電性和電荷量均沒有要求。
(2)要使三個(gè)電荷都處于平衡狀態(tài),對(duì)q3的電性和電荷量都有要求,首先q3不能是一個(gè)負(fù)電荷,若是負(fù)電荷,q1、q2都不能平衡,也不能處在它們中間或q2的外側(cè),設(shè)q3離q1的距離是L,根據(jù)庫侖定律和平衡條件列式如下:
對(duì)q3:keq \f(q3q1,L2)-keq \f(q3q2,?L+r?2)=0
對(duì)q1:keq \f(q1q3,L2)-keq \f(q1q2,r2)=0
解上述兩方程得:q3=4q,L=r。
[答案] (1)在q1的外側(cè)距離為r處,對(duì)q3的電性和電荷量均沒有要求 (2)電荷量為4q 帶正電
三個(gè)電荷平衡問題的處理技巧
(1)利用好平衡條件:三個(gè)電荷均處于平衡狀態(tài),每個(gè)電荷所受另外兩個(gè)電荷對(duì)它的靜電力等大反向,相互抵消。
(2)利用好口訣:“三點(diǎn)共線,兩同夾異,兩大夾小,近小遠(yuǎn)大”。
eq \([跟進(jìn)訓(xùn)練])
3.兩個(gè)可自由移動(dòng)的點(diǎn)電荷分別在A、B兩處,如圖所示,A處電荷帶正電Q1,B處電荷帶負(fù)電Q2,且Q2=4Q1,另取一個(gè)可以自由移動(dòng)的點(diǎn)電荷Q3,放在直線AB上,欲使整個(gè)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),則( )
A.Q3為負(fù)電荷,且放于A左方
B.Q3為負(fù)電荷,且放于B右方
C.Q3為正電荷,且放于A與B之間
D.Q3為正電荷,且放于B右方
A [根據(jù)“兩同夾異”和“兩大夾小”的原則,Q3應(yīng)為負(fù)電荷,且放于A的左方,故選A。]
1.對(duì)點(diǎn)電荷的理解,下列說法正確的是( )
A.只有帶電量為e的電荷才能叫點(diǎn)電荷
B.只有體積很小的電荷才能叫點(diǎn)電荷
C.體積很大的電荷一定不能看作點(diǎn)電荷
D.當(dāng)兩個(gè)帶電體的大小及形狀對(duì)它們間的相互作用力的影響可忽略時(shí),帶電體可以看成點(diǎn)電荷
D [點(diǎn)電荷是將帶電物體簡(jiǎn)化為一個(gè)帶電的點(diǎn),物體能不能簡(jiǎn)化為點(diǎn),不是看物體的體積大小和電量大小,而是看物體的形狀和大小對(duì)于兩個(gè)物體的間距能不能忽略不計(jì),故ABC錯(cuò)誤,D正確。]
2.為了研究電荷之間的相互作用力跟什么因素有關(guān),小宇做了如下實(shí)驗(yàn):把一個(gè)帶正電的物體放在A處,然后將掛在絲線上帶正電的小球先后掛在P1、P2、P3處,發(fā)現(xiàn)情況如圖所示,由此,小宇歸納得出的初步結(jié)論是( )
A.電荷之間的作用力大小隨距離增大而減小
B.電荷之間的作用力大小隨距離增大而增大
C.電荷之間的作用力大小隨距離的增大先增大后減小
D.電荷之間的作用力大小與距離無關(guān)
A [根據(jù)小球懸線偏離豎直方向的角度可以看出,電荷之間相互作用力的大小與電荷間距離的大小有關(guān),距離越近,偏角越大,說明電荷間相互作用力越大,所以A選項(xiàng)正確。]
3.有兩個(gè)半徑為r的金屬球,相距為L(zhǎng),帶電荷量分別為Q1、Q2,如圖所示,滿足條件L?r,則它們之間的靜電力是( )
A.eq \f(kQ1Q2,L+2r) B.eq \f(kQ1Q2,L2)
C.eq \f(kQ1Q2,?L+2r?2) D.eq \f(kQ1Q2,4r)
C [兩個(gè)帶電金屬球可以看作點(diǎn)電荷,它們間的距離為兩球心間的距離L+2r,故根據(jù)庫侖定律得它們之間的靜電力為eq \f(kQ1Q2,?L+2r?2),C正確。]
4.如圖所示,懸掛在O點(diǎn)的一根不可伸長(zhǎng)的絕緣細(xì)線下端有一個(gè)帶電荷量不變的小球A。在兩次實(shí)驗(yàn)中,均緩慢移動(dòng)另一帶同種電荷的小球B,當(dāng)B到達(dá)懸點(diǎn)O的正下方并與A在同一水平線上,A處于受力平衡時(shí),懸線偏離豎直方向的角度為θ,若兩次實(shí)驗(yàn)中B的電荷量分別為q1和q2,θ分別為30°和45°,則eq \f(q2,q1)為( )
A.2 B.3 C.2eq \r(3) D.3eq \r(3)
C [對(duì)A受力分析如圖所示,
由庫侖定律得F=keq \f(qAqB,r2);又r=lsin θ,F(xiàn)=Gtan θ,由以上各式可解得qB=eq \f(Gl2sin2θtan θ,kqA),因G、l、qA、k不變,則eq \f(q2,q1)=eq \f(sin245°tan 45°,sin230°tan 30°)=2eq \r(3),故C正確。]
5.如圖所示,分別在A、B兩點(diǎn)放置點(diǎn)電荷Q1=+2×10-14 C和Q2=-2×10-14 C,在AB的垂直平分線上有一點(diǎn)C,且AB=AC=BC=6×10-2 m。如果有一高能電子靜止放在C點(diǎn)處,則它所受的庫侖力的大小和方向如何?
[解析] 電子帶負(fù)電荷,在C點(diǎn)同時(shí)受A、B兩點(diǎn)電荷的作用力FA、FB,如圖所示,
由庫侖定律F=keq \f(q1q2,r2)
得FA=keq \f(Q1e,r2)
=9.0×109×eq \f(2×10-14×1.6×10-19,?6×10-2?2) N
=8.0×10-21 N,
FB=keq \f(Q2e,r2)=8.0×10-21 N.
由矢量的平行四邊形定則和幾何知識(shí)得靜止放在C點(diǎn)的高能電子受到的庫侖力F=FA=FB=8.0×10-21 N,方向平行于AB連線由B指向A。
[答案] 8.0×10-21 N 方向平行于AB連線由B指向A
點(diǎn)電荷
庫侖定律的理解
實(shí)驗(yàn)原理
如圖所示F=mgtan θ,θ變大,F(xiàn)變大,θ變小,F(xiàn)變小
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
r變大,θ變小 r變小,θ變大
Q變大,θ變大 Q變小,θ變小
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
電荷間的相互作用力隨電荷間距離的增大而減小,隨電荷量的增大而增大
庫侖力的疊加及其應(yīng)用
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