資源簡介

(共40張PPT)
第九章
靜電場及其應用
第2節
庫侖定律
高中物理人教（2019）必修
第三冊
演示實驗：將兩個氣球充氣后掛起來，讓他們碰在一起(圖a)。用毛織品分別摩擦兩個氣球相接觸的部分(圖b)。放開氣球后，你觀察到什么現象？你能解釋這個現象嗎？
你能得到氣球間相互作用的規律與哪些因素有關嗎？
新課引入
1.問題提出:
一、問題探究
如圖，帶正電的帶電體C置于鐵架臺旁，把系在絲線上帶正電的小球先后掛在P1、
P2、P3等位置。帶電體C與小球間的作用力會隨距離的不同怎樣改變呢？
（2）電荷之間作用力的大小與哪些因素有關？
（1）在同一位置增大或減小小球所帶的電荷量，作用力又會怎樣變化？
探究新知
2.實驗演示
一、問題探究
3.實驗現象：
電荷之間的作用力與萬有引力是否具有相似的形式呢？是否也滿足“平方反比”的規律呢？最終解決這一問題的是法國科學家庫侖。
（1）帶電體C與小球間的作用力會隨距離的減小而增大；
（2）在同一位置增大或減小小球所帶的電荷量，作用力也會增大或減小；
一、問題探究
內容：
真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上。
電荷間的這種作用力叫做靜電力或庫侖力。
二、庫侖定律
那么，什么是點電荷呢？
探究新知
如果帶電體自身的大小遠小于它們之間的距離，以至帶電體自身的大小、形狀及電荷分布狀況對它們之間的作用力的影響可以忽略時，這樣的帶電體可以看作一個帶電的點，叫作點電荷。
（1）點電荷是一個理想化的模型，類似于力學中的質點，實際上是不存在的。
（2）均勻帶電的球體,由于球所具有的對稱性,即使它們之間的距離不是很大,一般也可以當作點電荷來處理---電荷集中在球心的點電荷。
三、點電荷
探究新知
點電荷和元電荷：
（1）元電荷是電荷量，點電荷是帶電體的理想模型?；
（2）電子的帶電量等于元電荷，研究宏觀問題時，電子、質子可看做點電荷。點電荷的帶電量可能較大也可能較小，但一定是元電荷的整數倍。
三、點電荷
法國物理學家庫侖利用扭秤研究出了電荷間相互作用力的大小跟電量和距離的關系。
1.實驗裝置：
B球的作用是使A球
在水平面內平衡
四、庫侖的實驗
平衡小球B
細銀絲
帶電小球C
帶電小球A
刻度盤與指針
探究新知
2.實驗原理：A和C之間的作用力使懸絲扭轉，扭轉的角度和力的大小有一定的對應關系。
3.實驗方法：控制變量法
探究F與r的關系：
(1)把另一個帶電小球C插入容器并使它靠近A時，記錄扭轉的角度可以比較力的大小。
(2)改變A和C之間的距離r，記錄每次懸絲扭轉的角度，便可找出F與r的關系。
四、庫侖的實驗
【原理視頻—點擊播放】
探究F與q的關系：
改變A和C的電量q1、q2，記錄每次懸絲扭轉的角度，便可找出F與q1、q2的關系
四、庫侖的實驗
在庫侖那個時代，還不知道怎么樣測量物體所帶的電荷量，甚至連電荷量的單位都沒有，又怎么樣做到改變A和C的電荷量呢？
A
C
Q
A
電量均分
A
C
Q
A
D
2
Q
條件：
大小、形狀、材料完全相同的小球
結論：
1.當電量不變時，F與距離r的二次方成反比
F∝
2.當之間距離不變時,F與
的乘積成正比
F∝
四、庫侖的實驗
庫侖定律實驗視頻
四、庫侖的實驗
4.
實驗結論：
比例系數
k
叫靜電力常量，國際單位制中，k
=
9.0×109N·m2/C2
5.適用條件：
（1）真空中
（2）靜止的
（3）點電荷
四、庫侖的實驗
6.相互作用力的方向
：在它們的連線上（如圖）。
+
+
q1
q2
r
—
—
F斥
F斥
F斥
F斥
+
—
F引
F引
7.注意：
（1）計算時只代電荷量的絕對值；
（2）需通過同種電荷相斥、異種電荷相吸來判斷庫侖力的方向。
四、庫侖的實驗
同種電荷電荷分布在金屬球外側
異種電荷電荷分布在金屬球內側
思考：兩個靠近的帶電球體，是否可以看作是集中在球心位置的點電荷？適用于r=0的情況?
+Q
+Q
L=4r
+
+
+
+
+
+
+Q
-Q
L=4r
-
-
-
+
+
+
四、庫侖的實驗
根據庫侖定律，兩個電荷量為
1
C
的點電荷在真空中相距
1
m
時，相互作用力是
9.0×109
N。差不多相當于一百萬噸的物體所受的重力！可見，庫侖是一個非常大的電荷量單位，我們幾乎不可能做到使相距
1
m
的兩個物體都帶
1
C
的電荷量。
通常，一把梳子和衣袖摩擦后所帶的電荷量不到百萬分之一庫侖，但天空中發生閃電之前，巨大的云層中積累的電荷量可達幾百庫侖。
五、靜電力的計算
探究新知
1.庫侖力是一種性質力，與重力、彈力、摩擦力地位等同。
2.對帶電體的受力分析，一定不要忘記畫庫侖力。
3.庫侖力的合成與分解遵循平行四邊形定則。
4.庫侖力遵守牛頓第三定律，一對庫侖力大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。
對靜電力（庫侖力）的理解：
五、靜電力的計算
【例題1】已知氫核（質子）質量為1.67×10-27kg。電子的質量是9.1×10-31kg，在氫原子內它們之間的最短距離為5.3×10-11
m。試比較氫核與核外電子之間的庫侖力和萬有引力。
【解析】庫侖力大小:
萬有引力大小:
五、靜電力的計算
例題講解
萬有引力定律
庫侖定律
不同點
只有引力
既有引力又有斥力
天體間表現明顯
微觀帶電粒子間表現明顯
都是場力
萬有引力場
電場
公式
條件
兩質點之間
兩點電荷之間
庫侖力和萬有引力的比較
五、靜電力的計算
1.
庫侖力和萬有引力是兩種不同性質的力，受力分析時要分別分析。
2.
庫侖力和萬有引力表達式的相似性，揭示了大自然的和諧美和多樣美。
【例題2】真空中有三個點電荷，它們固定在邊長50cm的等邊三角形的三個頂點上，每個點電荷的帶電量都是
2×10-6
C,求它們各自所受的庫侖力。
q1
q2
q3
＋
＋
＋
五、靜電力的計算
例題講解
【解析】q3
共受
F1
和
F2
兩個力的作用，q1
=
q2
=
q3
=
q，相互間的距離
r
都相同
,
所以
根據平行四邊形定則，合力是:
合力的方向沿
q1
與
q2
連線的垂直平分線向外。
五、靜電力的計算
拓展：三個自由點電荷的平衡問題
C
A
B
問題1：三球平衡，C球帶正電還是負電？
C
A
B
C
A
B
若C帶正電，A、B不能平衡
兩側是同種電荷，中間是異種電荷
結論1：兩同夾異
五、靜電力的計算
問題2：A和B、C電荷量的大小關系？
C
A
B
r1
r2
qc
qA
qB
C
FBC
FAC
FAB
FCB
B
兩側電荷量大，中間電荷量小
結論2：兩大夾小
五、靜電力的計算
C
A
B
r1
r2
qc
qA
qB
問題3：r1、r2與B、C的電量關系？
FCA
FBA
A
中間電荷靠近兩側電荷量較小的那個
結論3：近小遠大
五、靜電力的計算
三個自由電荷平衡的規律:三點共線、兩同夾異、兩大夾小、近小遠大。
1.下列關于點電荷的說法正確的是(
)
A.只有體積很小的帶電體才能看成點電荷
B.體積很大的帶電體一定不能看成點電荷
C.當兩個帶電體的大小遠小于它們之間的距離時，可將這兩個帶電體看成點電荷
D.一切帶電體都可以看成點電荷
【正確答案】C
課堂練習
2.(多選)庫侖定律的適用范圍是（
）
A．真空中兩個帶電球體間的相互作用
B．真空中任意帶電體間的相互作用
C．真空中兩個靜止點電荷間的相互作用
D．真空中兩個大小遠小于它們之間的距離的靜止帶電體間的相互作用
【正確答案】CD
課堂練習
3.如圖,三個固定的帶電小球a、b和c,相互間的距離分別為ab=5
cm,bc=3
cm,ca=4
cm。小球c所受庫侖力的合力的方向平行于a、b的連線。設小球a、b所帶電荷量的比值的絕對值為k,則(
　　)
A.a、b的電荷同號,
B.a、b的電荷異號,
C.a、b的電荷同號,
D.a、b的電荷異號,
【正確答案】D
課堂練習
4.光滑絕緣的水平地面上有相距為L的點電荷A、B，帶電量分別為－4Q和+Q，今引入第三個點電荷C，使三個點電荷都處于平衡狀態，則C的電量和放置的位置是（
）
A
－Q，在A左側距A為L處
B
－2Q，在A左側距A為L/2處
C
－4Q，在B右側距B為L處
D
+
2Q，在A右側距A為3L/2處
C
【正確答案】C
課堂練習
5.
如圖所示，分別在A、B兩點放置點電荷Q1＝＋2×10－14
C和Q2＝－2×10－14
C.在AB的垂直平分線上有一點C，且AB＝AC＝BC＝6×10－2
m.如果有一電子靜止放在C點處，靜電力常量k＝9.0×109
N·m2/C2，則它所受的靜電力的大小為_________
N，方向___________________。
8×10－21
平行于AB連線向左
課堂練習
【解析】電子在C點同時受A、B兩點電荷的靜電力FA、FB，如圖。
同理可得：FB＝8.0×10－21
N
由矢量的平行四邊形定則和幾何知識得靜止放在C點的電子受到的靜電力大小為F＝FA＝FB＝8.0×10－21
N，方向平行于AB連線向左。
6.如圖,把一電荷量為Q=-5×10-8
C的小球A用絕緣細繩懸起,若將電荷量為q=+4×10-6
C
的帶電小球B靠近A,當兩個帶電小球在同一高度相距r=30
cm時,繩與豎直方向的夾角α=45°,g取
10
m/s2,k=9.0×109
N·m2/C2,且A、B兩小球均可視為點電荷,求:
(1)A、B兩球間的靜電力的大小;
(2)A球的質量。
課堂練習
【解析】(1)由庫侖定律得FAB=k,代入數據得FAB=0.02
N
(2)由牛頓第三定律知,B所受靜電力與A所受靜電力大小相等,對A進行受力分析如圖所示。
根據物體平衡得FBA=mgtan
α,
代入數據得m=2×10-3
kg
【答案】(1)0.02
N　(2)2×10-3
kg
C
7.人類已探明某星球帶負電，假設它是一個均勻帶電的球體，將一帶負電的粉塵置于該星球表面h高處，恰處于懸浮狀態，現設科學家將同樣的帶電粉塵帶到距星球表面2h高處無初速度釋放，則此帶電粉塵將(不考慮星球的自轉影響)(　　)
A．向星球中心方向下落
B．被推向太空
C．仍在那里懸浮
D．無法確定
【正確答案】C
課堂練習
8.如圖所示，豎直平面內有一圓形光滑絕緣細管，細管截面半徑遠小于半徑R，在中心處固定一電荷量為＋Q的點電荷。一質量為m、電荷量為＋q的帶電小球在圓形絕緣細管中做圓周運動，當小球運動到最高點時恰好對細管無作用力，求當小球運動到最低點時對管壁的作用力大小。
課堂練習
電荷
庫侖定律
理想
模型
點電荷
表達式
k為靜電力常量
大小
方向判斷
扭秤實驗
真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上。
內容
真空中、靜止的、點電荷
條件
課堂小結
謝謝聆聽

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