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(共45张PPT)
2　库仑定律
素养 目标定位
目标素养
1.通过库仑定律的探究过程,体会实验与类比在库仑定律中的作用。体会探究库仑定律过程中的思想和方法,培养科学探究的能力
2.通过点电荷模型的建立过程,体会建立理想化模型的科学思维方法
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,并能应用合成的方法计算多个点电荷间的静电力
4.体会库仑扭秤实验的设计思路与实验方法
5.通过对库仑定律和万有引力定律的形式的对比,体会物理学的和谐统一之美
知识概览
课前 基础认知
一、电荷之间的作用力
1.库仑定律: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。这个规律叫作库仑定律。这种电荷之间的相互作用力叫作静电力或库仑力。
2.点电荷:当带电体之间的距离比它们自身的大小大得多,以至带电体的形状、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。点电荷类似于力学中的质点,也是一种理想化模型。
微思考1 有人说“点电荷是指电荷量很小的带电体”,这种说法对吗 为什么
提示:不对。一个带电体能否看成点电荷,要看所研究的具体问题,而不是由带电体的大小或所带的电荷量大小决定。
二、库仑的实验
1.实验装置。
2.实验步骤。
(1)改变A和C之间的距离r,记录每次悬丝扭转的角度,就可以找到力F与距离r的关系。
(2)使一个带电金属小球与另一个不带电的完全相同的金属小球接触,前者的电荷量就会分给后者一半,多次重复,可以得出电荷之间作用力F与电荷量q的关系。
微判断 根据库仑定律的公式 ,进行判断。
(1)当真空中的两个点电荷间的距离r→∞时,它们之间的静电力F→0。(　　)
(2)当真空中的两个电荷间的距离r→0时,它们之间的静电力F→∞。(　　)
(3)当真空中的两个电荷间的距离r→∞时,库仑定律的公式就不适用了。(　　)
(4)当真空中的两个电荷间的距离r→0时,电荷不能看成是点电荷,库仑定律的公式就不适用了。(　　)
√
×
×
√
三、静电力的计算
1.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。
2.库仑定律描述的是两个点电荷之间的作用力。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点电荷的作用力的矢量和。
3.两个点电荷之间的作用力不因第三个点电荷的存在而改变。
微思考2两个半径为r的相同金属球带上异种电荷,已知q1=3q2,两球心相距10r,其相互作用力为F1;现将两球接触后分开,再放回原处,这时两球间的相互作用力为F2,则 对吗
提示:不对。根据题意两球接触后再分开,每个球的电荷应是q2,由于同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。当两球带异种电荷时,由于电荷间的吸引,电荷在金属球表面不再均匀分布,两球表面所带电荷的“等效中心”位置必定小于10r,如图所示。
课堂 重难突破
一 对点电荷的认识与理解
问题探究
某次物理活动中,甲、乙两位同学探讨点电荷的对话如下。
甲:“由于带电体A的体积很小,故它一定是点电荷。”
乙:“由于带电体B的电荷量很小,故它一定是点电荷。”
探究1:甲、乙两位同学的观点,你认为谁的正确 为什么
探究2:什么是点电荷 现实中有点电荷吗
提示:探究1:甲、乙两位同学的观点都不正确,当带电体的大小、形状可以忽略不计时,该带电体就可以看作点电荷,一个带电体能否看作点电荷,不能只看它的体积大小,也不能看它的电荷量多少。
探究2:点电荷是一种理想化模型,它是不计大小、形状的带电体,现实中显然不存在。
归纳总结
1.点电荷是物理模型。
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,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。
3.注意区分点电荷与元电荷。
(1)元电荷是最小的电荷量,其数值等于一个电子或一个质子所带电荷量的绝对值。
(2)点电荷只是不考虑带电体的大小和形状,其电荷量可以很大也可以很小,但它一定是元电荷的整数倍。
典型例题
【例1】 下列关于点电荷的说法正确的是(　　)
A.点电荷是带电荷量很小的带电体
B.带电体体积很大时不能看作点电荷
C.点电荷的带电荷量可能是2.56×10-20 C
D.大小和形状对作用力影响可以忽略的带电体可看作点电荷
答案:D
解析:点电荷是将带电体简化为一个带电的点,是一种理想化模型,与其体积的大小及带电荷量的多少无关,实际的带电体(包括电子、质子等)都有一定的大小,都不一定能看作点电荷,选项A错误。带电体能不能简化为点,不是看带电体的绝对大小,而是看带电体的大小相对于它们之间的距离能不能忽略不计,故体积大的带电体有时也可以看作点电荷,选项B错误。点电荷的带电荷量一定是1.6×10-19 C的整数倍,选项C错误。点电荷是将带电体简化为一个带电的点,当带电体的大小和形状对作用力的影响可以忽略时,带电体可看作点电荷,选项D正确。
二 对静电力和库仑定律的理解
问题探究
如图所示,两带电金属球的球心相距为r,两金属球的半径均为R,且不满足r R。
甲
甲
归纳总结
1.库仑定律的适用对象。
(1)库仑定律只适用于计算真空中两个点电荷间的相互作用力;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)两个规则的均匀带电球体,相距比较远时,可以看作点电荷,使用库仑定律计算两球间的库仑力时,二者间的距离就是球心间的距离。
2.应用库仑定律时应注意的问题。
(1)应用库仑定律公式计算库仑力时不必将表示电荷性质的正、负号代入公式中,只将其电荷量的绝对值代入公式中算出力的大小,力的方向根据同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引的性质判断即可。
(2)各物理量要统一用国际单位制单位,只有采用国际单位制单位时,k的值才是9.0×109 N·m2/C2。
(3)两个点电荷之间相互作用的库仑力遵循牛顿第三定律。
3.静电力的叠加。
(1)两个或两个以上点电荷对某一点电荷的作用力,等于各点电荷单独对这个点电荷的作用力的矢量和。这个结论通常叫作静电力叠加原理。
(2)静电力具有力的一切性质,静电力叠加原理实际就是力叠加原理的一种具体表现。
(3)静电力的合成与分解满足平行四边形定则,如图所示。
4.静电力与万有引力的比较。
比较项 静电力 万有引力
表达式
适用条件 真空中静止的点电荷 质点或质量分布均匀的球体
r的含义 两点电荷间的距离 两物体的质心间的距离
常量 静电力常量
k=9.0×109 N·m2/C2 引力常量
G=6.67×10-11 N·m2/kg2
比较项 静电力 万有引力
测量方法 库仑扭秤实验 卡文迪什扭秤实验
作用方式 通过电场对另一电荷产生力的作用 通过引力场对另一物体产生力的作用
不同点 ①与电荷量有关
②有引力、斥力
③作用很强,是短程力 ①与质量有关
②只有引力
③作用很弱,具有宏观性
相同点 ①都与距离的二次方成反比,都与相关物理量的乘积成正比
②力的方向都在两物体的连线上
【例4】 如图所示,三个固定的带电小球A、B和C,相互间的距离分别为ab=8 cm、ac=6 cm、bc=10 cm,小球C所受静电力合力的方向平行于ab斜向下。关于小球A、B的电性及所带电荷量比值的绝对值n,下列说法正确的是(　　)
答案:D
解析:由小球C所受静电力合力的方向知A、B带异种电荷,小球A、B对小球C的作用力如图所示。
(1)静电力叠加遵循平行四边形定则,先求出点电荷所受的每一个静电力,再应用平行四边形定则求合力。 (2)计算静电力时,不但要求出静电力的大小,还要说明静电力的方向。
成果验收站
解析:库仑扭秤能研究微小的库仑力,它在设计时最主要的物理思想方法是微小放大法,选项A正确。库仑定律的适用条件是真空中静止的点电荷,当带电体的形状、大小以及电荷分布可以忽略不计时,可以将带电体看成点电荷,选项B错误。当r→0时,两个带电体不能看成点电荷,因此,此时库仑定律不再适用,选项C错误。电荷量分别为Q和2Q的点电荷q1、q2相互作用时,q1受到的库仑力和q2受到的库仑力是一对相互作用力,所以大小相等,选项D错误。
4.如图所示,在一条直线上的三点分别放置QA=+3×10-9 C、QB=-4×10-9 C、QC=+3×10-9 C的A、B、C三个点电荷,静电力常量k=9.0×109 N·m2/C2,则作用在点电荷A上的库仑力的大小为(　　)
A.9.9×10-4 N B.9.9×10-3 N
C.1.17×10-4 N D.2.7×10-4 N
答案:A
5.如图所示,在A、B两点分别放置电荷量为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。如果在C点有一个电子(e=1.6×10-19 C),则它所受的库仑力的大小和方向如何
答案:8.0×10-21 N　方向平行于AB向左

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