高考物理一轮复习 第七章 静电场 第1讲 电荷守恒定律 库仑定律课件.ppt

课标版物理 第1讲电荷守恒定律库仑定律 一 电荷电荷守恒定律1 电荷 自然界中存在正 负电荷 用丝绸摩擦过的玻璃棒带 电荷 用毛皮摩擦过的硬橡胶棒带 电荷 2 电荷量 1 物体所带电荷的多少 国际单位是库仑 2 元电荷 最小的电荷量叫做元电荷 元电荷的值为 3 几种常见的电荷 正 负 1 60 10 19c 忽略不计 4 电荷守恒定律 1 原先表述 电荷既不能被创造 也不能被消灭 它只能从一个物体转移到另一物体 或者从物体的一部分转移到另一部分 在转移过程中 电荷总量 2 现在表述 由于近代物理发现 在一定条件下 带电粒子可以产生湮灭 所以电荷守恒定律现在表述为 一个与外界没有电荷交换的系统 电荷的代数和保持不变 3 意义 电荷守恒定律是自然界的普遍规律 既适用于宏观系统 也适用于微观系统 4 当完全相同的带电金属球相接触时电荷的分配规律 同种电荷总量 异种电荷先 后 保持不变 平均分配 中和 平分 自测1 辨析题 1 只有体积足够小的带电体才能看成点电荷 大的带电体不能看成点电荷 2 任何带电体的带电荷量都是元电荷的整数倍 答案 1 2 二 三种起电方式及其比较 转移 自测2 辨析题 1 带电体通过静电感应可以使绝缘材料带电 2 不管是哪种起电方式 它们的实质都是电子的转移 答案 1 2 三 库仑定律1 内容 真空中两个点电荷间的作用力跟它们电荷量的乘积成正比 跟它们的距离的平方成反比 作用力的方向在它们的连线上 2 公式 f k 式中k 9 0 109n m2 c2 叫做静电力常量 3 适用条件 真空中的 注意当两带电体离得较近时 它们不能视为点电荷 库仑定律不再适用 但它们之间仍存在库仑力 4 1 使用库仑定律计算时 电量用绝对值代入 作用力的方向根据 同种电荷相斥 异种电荷相吸 的规律定性判定 点电荷 2 研究微观带电粒子 电子 质子 粒子 各种离子 相互作用时 万有引力或重力可以忽略不计 3 两个大小 形状完全相同的带电金属球相碰后 带电量一定相等 自测3 辨析题 任意两个带电体间的库仑力都可以用库仑定律计算 答案 自测4大小相同 带电荷量也相同的金属球a和b 分别固定在两处 相互作用力为f 现用另一个不带电的同样大小的c球先与a球接触 再与b球接触 然后移去c球 则后来a b两球间的作用力变为 a f 2b f 4c 3f 8d f 10 答案c移走c球后a b两球所带电荷量分别为 则它们之间的相互作用力变为 f k f 考点一库仑定律的理解1 库仑定律适用于中 间的相互作用 1 对于两个均匀带电绝缘球体 可以将其视为电荷集中于球心的点电荷 r为两球心之间的距离 2 对于两个带电金属球 要考虑金属球表面电荷的重新分布 3 库仑力在r 10 15 10 9m的范围内均有效 但不能根据公式错误地推论 当r 0时 f 其实 在这样的条件下 两个带电体已经不能再看做点电荷了 2 两点电荷间库仑力是一对相互作用力 等大反向 典例1三个相同的金属小球1 2 3分别置于绝缘支架上 各球之间的距离远大于小球的直径 球1的带电荷量为q 球2的带电荷量为nq 球3不带电且离球1和球2很远 此时球1 2之间作用力的大小为f 现使球3先与球2接触 再与球1接触 然后将球3移至远处 此时1 2之间作用力的大小仍为f 方向不变 由此可知 a n 3b n 4c n 5d n 6答案d由于各球之间距离远大于小球的直径 小球带电时可视为点电荷 由库仑定律f k知两点电荷间距离不变时 相互间静电力大小与 两球所带电荷量的乘积成正比 又由于三小球相同 则两球接触时平分总电荷量 故有q nq 解得n 6 d正确 完全相同的两个金属球带电荷量大小分别为q1 q2时 若q1 q2为同种电荷 则两球接触后电荷量平分 若q1 q2为异种电荷 则两球接触后电荷量先中和后平分 据此可得本题中电荷分配情况如下图所示 1 1如图所示 半径相同的两个金属球a b带有相等的电荷量 相隔一定距离 两球之间相互吸引力的大小是f 今让第三个半径相同的不带电的金属小球先后与a b两球接触后移开 这时 a b两球之间的相互作用力的大小是 a b c d 两球带电荷量分别为 q q 当第三个不带电的c球与a球接触后 a c两球带电荷量平分 每个球带电荷量为q1 当再把c球与b球接触后 两球的电荷先中和再平分 每个球带电荷量为q2 由库仑定律f k知 当移开c球后 a b两球之间的相互作用力的大小变为f a项正确 答案a根据题意 a b两球互相吸引 说明它们必带异种电荷 设a b 考点二库仑定律的平衡问题1 库仑定律的表达式为f k 其适用条件是真空中两静止点电荷之间相互作用的静电力 库仑定律与平衡问题联系比较密切 因此关于静电力的平衡问题是高考的热点内容 题型多以选择题为主 对于这部分内容 需要注意以下几点 一是明确库仑定律的适用条件 二是知道完全相同的带电小球接触时电荷量的分配规律 三是进行受力分析 灵活应用平衡条件 2 三个自由点电荷的平衡问题 1 条件 两个点电荷在第三个点电荷处的合场强为零 或每个点电荷受到的两个库仑力必须大小相等 方向相反 2 规律 三点共线 三个点电荷分布在同一条直线上 两同夹异 正负电荷相互间隔 两大夹小 中间电荷的电荷量最小 近小远大 中间电荷靠近电荷量较小的电荷 典例2 2015云南第一次统考 21 多选 如图所示 质量和电荷量均相同的两个小球a b分别套在光滑绝缘杆mn np上 两杆固定在一起 np水平且与mn处于同一竖直面内 mnp为钝角 b小球受一沿杆方向的水平推力f1作用 a b均处于静止状态 此时a b两球间距为l1 现缓慢推动b球 a球也缓慢移动 当b球到达c点时 水平推力大小为f2 a b两球间距为l2 则 a f1f2c l1l2 答案bc以a球为研究对象 受力分析 a球在重力 支持力和库仑力作用下处于平衡状态 如图所示 b球由b到c过程中 a球所受库仑力与杆方向夹角在减小 由三力平移后的矢量三角形可知 库仑力减小 由库仑定律可知 两带电小球之间距离增大 c项正确 再分析b球受力 库仑力减小 且与水平方向夹角增大 而推力大小等于库仑力的水平分力 故推力减小 b项正确 解决此类问题的思路 选取研究对象 受力分析 利用平衡条件或牛顿运动定律列方程求解 但需注意库仑力的特点 特别是在动态平衡问题 变速运动问题中 带电体间距离发生变化时 库仑力也要发生变化 要分析力与运动的相互影响 2 1 2015浙江理综 20 6分 多选 如图所示 用两根长度相同的绝缘细线把一个质量为0 1kg的小球a悬挂到水平板的m n两点 a上带有q 3 0 10 6c的正电荷 两线夹角为120 两线上的拉力大小分别为f1和f2 a的正下方0 3m处放有一带等量异种电荷的小球b b与绝缘支架的总质量为0 2kg 重力加速度取g 10m s2 静电力常量k 9 0 109n m2 c2 a b球可视为点电荷 则 a 支架对地面的压力大小为2 0nb 两线上的拉力大小f1 f2 1 9nc 将b水平右移 使m a b在同一直线上 此时两线上的拉力大小f1 1 225n f2 1 0nd 将b移到无穷远处 两线上的拉力大小f1 f2 0 866n答案bc小球b和支架组成的整体 在三个力作用下平衡 故有 fn fab mbg fab k 联立两式解得 fab 0 9n fn 1 1n 根据牛顿第三定律可判断出a错 小球a在四个力作用下平衡 如图 甲 所示 甲 由对称性可知f1 f2 在竖直方向上有 2f1cos60 2f2cos60 mag fba 解得f1 f2 1 9n 可见b正确 当b球与m a共线时 a球受力情况如图 乙 所示 乙 由几何关系可知rab 0 6m fba k 0 225n 将a球所受重力分解在ma和na的方向上 由上述两个方向上分力的合力为零可得 f1 1 225n f2 1 0n 故c正确 b球移至无穷远处时 a b之间的库仑力忽略不计 对a球由三力平衡条件可求得f1 f2 mag 1 0n 故d错 考点三库仑定律的动力学问题分析涉及库仑力的动力学问题的基本思路 典例3如图所示 质量为m的小球a穿在绝缘细杆上 杆的倾角为 小球a带正电 电荷量为q 在杆上b点处固定一个电荷量为q的正电荷 将a由距b竖直高度为h处无初速释放 小球a下滑过程中电荷量不变 不计a与细杆间的摩擦 整个装置处在真空中 已知静电力常量k和重力加速度g 求 1 a球刚释放时的加速度是多大 2 当a球的动能最大时 a球与b点间的距离 答案 1 gsin 2 解析 1 由牛顿第二定律可知mgsin f ma 根据库仑定律有f k又知r 得a gsin 2 当a球受到合力为零 即加速度为零时 动能最大 设此时a球与b点间的距离为d 则mgsin 解得d 3 1如图所示 空中有三个点电荷a b c a和b所带电荷量为 q c所带电荷量为 q ab连线水平长度为l c围绕a b连线中心o在竖直面内做匀速圆周运动 o c之间的距离为 不计重力 静电力常量为k