高考物理一轮复习资料 7.1 库仑定律电场力的性质课件 沪科版.ppt

第七章电荷的相互作用电场与示波器 复习本章应抓住和理清两条主线 一是电场的力的性质 例如库仑定律的应用 电场强度的定义法 电场对电荷的作用力 二是电场的能的性质 充分理解电势 电势能 电势差 等势面等基本重要概念 理解电场力做功和电势能变化的关系 掌握问题的处理方法 1 注意比较理解电场强度 电势 电势能概念 2 类比重力做功特点 应用电场力做功与电势能变化的关系解题 3 平行板电容器问题抓住引起变化的因素 应用决定式c s 4k d 及定义式c q u q u以及e u d讨论 分清是q或者u哪个量变化 4 带电粒子在电场中的加速和偏转 类比平抛运动的处理以及圆周运动的处理方法 灵活选用牛顿运动定律 动能定理等解决问题 学案1库仑定律电场力的性质 考点1电荷和电荷守恒 1 几种常见的电荷 1 元电荷 电荷量为1 60 10 19c的电荷叫做元电荷 2 点电荷 形状和大小对研究问题的影响可忽略不计的带电体称为点电荷 3 场源电荷 电场是由电荷产生的 我们把产生电场的电荷叫做场源电荷 4 试探电荷 检验电荷 研究电场的基本方法之一是放入一带电荷量很小的点电荷 考察其受力情况及能量情况 这样的电荷称为试探电荷或检验电荷 2 物体带电的三种方式 1 摩擦起电是由于相互摩擦的物体间电子的得失而使物体分别带上等量异种电荷 玻璃棒与丝绸摩擦时 由于玻璃棒容易失去电子而带正电 硬橡胶棒与毛皮摩擦时 由于硬橡胶棒容易得到电子而带负电 2 感应起电是指利用静电感应使物体带电的方式 如图所示 导体a b相接触后靠近c c带正电 由于静电感应 a b上的自由电子受到带电体c的吸引而聚集到a端 使a端带负电 b端由于失去电子而带正电 这时先把a b分开 然后移去c 则a和b两导体上就分别带上了等量异种电荷 3 接触带电比较简单 指一个不带电的金属导体跟另一个带电的金属导体接触 使不带电的导体带上电荷的方式 例如 将一个带电的金属小球跟另一个完全相同的不带电的金属小球接触后分开 它们平分了原来的电荷而带上等量同种电荷 请你思考一下 若给你几个完全相同的金属球 使其中一个带上 q 你有什么办法使金属球带上q 3 q 5 关于电荷的分配问题 对两个相同的导体球研究 1 若带电导体球和不带电导体球接触 则电荷平分 2 若两个带电导体球为同种电荷 则总电荷平分 3 若两个带电导体球为异种电荷 则先中和后净电荷再平分 从物体带电的各种方式不难看出 它们都不是创造了电荷 只是电荷从一个物体转移到了另一个物体 或者从物体的一部分转移到了物体的另一部分 例1 已知 介子 介子都是由一个夸克 夸克u或夸克d 和一个反夸克 反夸克或反夸克 组成的 它们的带电量如下表所示 表中e为元电荷 下列说法正确的是 a 由u和组成b 由d和组成c 由u和组成d 由d和组成 解析 根据题目列表信息可知 带一个单位的正电荷 带一个单位的负电荷 只要想到了电荷守恒定律 就可以轻松判断a d正确 由于受思维惯性的影响 有些学生总认为任何物体的带电量都是基本电荷e的整数倍 其实 近代物理学认为 夸克是比质子和中子等亚原子粒子更基本的物质组成单位 夸克组成了质子和中子 质子和中子组成原子核 最终才由原子构成宇宙万物 科学研究表明 一般没有自由的单个夸克 只有两个或三个夸克的集合体才能够处于自由状态 ad 近几年的高考中 出现了对微观世界中电荷守恒定律的考查 有时给出了比较陌生的微观量子有关术语 借助新鲜科学术语考查了对所学知识的迁移能力 分析本题实质是对电荷守恒定律的考查 大小相同 带电量也相同的金属球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 1 c 考点2库仑定律 对库仑定律的理解库仑定律公式 f kq1q2 r2 1 q为点电荷 公式只适用于点电荷之间的相互作用 2 这里的r是指两点电荷之间的距离 如果两带电体不能处理为点电荷 则需要具体讨论 3 库仑定律公式 只适用于求真空中的两点电荷间的相互作用 在空气中 两点电荷间的作用力近似等于在真空中的情况 可直接应用本公式 4 在一般情况下 我们仅利用此公式来计算两点电荷之间作用力的大小 而力f的方向再根据题意另行判定 所以 计算库仑力时 电量q1 q2只需代入绝对值即可 库仑定律只适用于真空中的点电荷 当带电体间的距离远大于它们本身尺度时 可把带电体看做点电荷 不可由r 0时 得出f 的结论 虽然从数学角度成立 但从物理角度分析 当r 0时 两带电体就不能视为点电荷了 所以该结论为错误结论 5 两个点电荷间的距离r 0时 就不能再视为点电荷 也不遵守库仑定律 它们之间的库仑力不能认为趋近于无穷大 例2 真空中有两个完全相同的金属小球 a球带qa 6 4 10 16c的正电荷 b球带qb 3 2 10 16c的负电荷 均可视为点电荷 求 1 当它们相距为0 5m时 a b间的库仑力为多大 2 若将两球接触后再分别放回原处 a b间的库仑力又为多大 解析 1 a b两球带异种电荷 因此 ab间的库仑力是引力 由库仑定律可得它们间的库仑引力大小为f k qaqb r2 9 109 6 4 10 16 3 2 10 16 0 52n 7 37 10 21n 2 a b两球接触时会发生电荷中和 使 净电荷 总量减小 剩余的 正 净电荷将重新分布 由于a b两球是完全相同的导体球 剩余的净电荷将平均分配 a b两球将带上同种电荷 故放回原处后 a b间的库仑力变为斥力 两球接触后 它们的带电情况为qa qb qa qb 2 6 4 3 2 2 10 16c 1 6 10 16c 所以分别放回原处后 两球间的库仑力为f k qaqb r2 9 109 1 62 10 32 0 52 n 9 22 10 22n 1 应用库仑定律求解电场力大小时 只带入电荷量多少 不带入电性符号 2 完全相同的两个导体球接触时电荷量分配规律 同种电荷则总量平分 异种电荷先中和 剩余的净电荷再平分 仅有一个带电则直接平分 2 如图所示 在真空中同一条直线上的a b两点固定有电荷量分别为 4q和 q的点电荷 1 将另一个点电荷放在该直线上的哪个位置 可以使它在电场力作用下保持静止 2 若要求这三个点电荷都只在电场力作用下保持静止 那么引入的这个点电荷应是正电荷还是负电荷 电荷量是多大 答案 1 c在ab延长线上 且ab bc 2 正电荷 4q 考点3电场及其描述 1 电场强度的性质 1 矢量性 电场强度e是表示电场力的性质的一个物理量 规定正电荷受力方向为该点场强的方向 2 唯一性 电场中某一点的电场强度e是唯一的 它的大小和方向与放入该点的电荷q无关 它决定于形成电场的电荷 场源电荷 及空间位置 3 叠加性 如果有几个静止电荷在空间同时产生电场 那么空间某点的场强是各场源电荷单独存在时在该点所产生的场强的矢量和 针对电场中某点的电场强度 公式e f q只是电场强度的定义式而并非决定式 q是引入的试探电荷 e与q无关 不能说e与f成正比 e与q成反比 电场中某点的场强和放入的试探电荷无关 是由电场本身的性质决定的 孤立点电荷q电场中 e kq r2是电场强度的决定式 可以说e与q成正比 e与r2成反比 e u d表达式中d是沿电场线方向上的距离 2 电场强度的三个计算公式 例3 如图所示 分别在a b两点放置点电荷q1 2 10 14c和q2 2 10 14c 在ab的垂直平分线上有一点c 且ab ac 6 10 2m 试求 1 c点的场强 2 如果有一个电子静止在c点 它所受的库仑力的大小和方向如何 解析 1 本题所研究的电场是点电荷q1和q2所形成的合电场 因此c点的场强是q1在c处的场强e1c和q2在c处的场强e2c的合场强 根据e kq r2得e1c k q1 r12 9 0 109 2 10 14 6 10 2 2n c 0 05n c 方向如图所示 同理求得e2c k q2 r22 0 05n c 根据平行四边形定则作出e1c和e2c的合成图如图所示 ce1cec是等边三角形故ec e1c 0 05n c 方向与ab平行指向右 2 电子在c点所受的力f qec 1 6 10 19 0 05n 0 8 10 20n 因为电子带负电 所以受力方向与ec方向相反即方向与ab平行指向左 当空间存在几个场源电荷时 某点的场强等于这几个场源电荷各自独立在该点产生电场强度的矢量和 电场强度的合成遵循平行四边形定则 3 如图所示 在x轴上的x 1和x 1两点分别固定电荷量为 4q和 9q的点电荷 求x轴上合场强为零的点的坐标 并求在x 3点处的合场强方向 答案 5m向右 点电荷的电场线分布 正电荷的电场线从正电荷出发延伸到无限远 负电荷的电场线的方向与正电荷的相反 1 几种常见电场的电场线分布 考点4电场线 a b c d 两个等量点电荷的电场线分布 电场线从正电荷 或者从无限远 出发到负电荷终止 或者延伸到无限远 点电荷与带电平板的电场线分布匀强电场 e f 2 电场线的性质 1 起点和终点 电场线起始于正电荷 或无穷远处 终止于负电荷 或无穷远处 即电场线不是闭合曲线 2 切线方向 电场线上每一点的切线方向和该点的场强方向一致 3 疏密程度 电场线的疏密程度反映了场强的大小即电场的强弱 电场线密集的地方场强大 电场强 电场线稀疏的地方场强小 电场弱 在匀强电场中 场强处处相等 4 不中断 不相交 在没有电荷的空间 电场线不能中断 两条电场线不能相交 5 与等势面的关系 在静电场中 电场线和等势面垂直 且由电势较高的等势面指向电势较低的等势面 6 与电势的关系 在静电场中 顺着电场线的方向电势越来越低 但要注意 顺着电场线的方向场强不一定越来越小 7 特别注意 电场线一般与电荷在电场中的运动轨迹不重合 3 两点电荷连线的中垂线上的电场线分布及特点的比较 例4 如图所示 两根长为l的丝线下端分别悬挂一质量为m 带电荷量为 q和 q的小球a和b 处于场强为e 方向水平向左的匀强电场中 使长度也为l的连线ab拉紧 并使小球处于静止状态 求e的大小满足什么条件时 才能实现上述平衡状态 解析 首先 小球a b均处于静止状态 其所受合外力为零 其次 若撤去水平向左的匀强电场 则a b两小球在重力和彼此间静电引力作用下 回落到悬点正下方 可见只有匀强电场足够强时 a b间连线才能被拉紧 设a b间连线刚要被拉紧时 匀强电场的场强为e0 这时 小球a受力如图所示 由共点力平衡条件得水平方向上e0q tcos60 f 竖直方向上tsin60 mg 由库仑定律得f kq2 l2 解 联立方程组可得 故当匀强电场e满足e e0 即e 时 a b间连线才被拉紧 解决带电体在电场中的平衡问题的方法与解决力学中平衡问题的方法是一样的 都是依据共点力平衡条件求解 所不同的只是在受力分析列平衡方程时 一定要注意考虑电场力 4 如图所示 a b是系在绝缘细线两端 带有等量同种电荷的小球 其中ma 0 1kg 细线总长为20cm 现将绝缘细线通过o点的光滑定滑轮 将两球悬挂起来 两球平衡时 oa的线长等于ob的线长 a球依于光滑绝缘竖直墙上 b球悬线ob偏离竖直方向60 g取10m s2 求 1 b球的质量 2 墙所受a球的压力 答案 1 0 2kg 2 1 732n 例5 如图所示 初速度为v的带电粒子 从a点射入电场 只受电场力作用沿虚线运动到b点 判断 1 粒子的带电性质 2 粒子的加速度如何变化 3 粒子的速度大小如何变化 解析 电场线越密的地方 场强越大 粒子受的电场力越大 加速度越大 粒子运动轨迹为曲线 曲线的内侧为合外力的方向 1 粒子所受合外力指向曲线弯曲的内侧 合外力的方向与电场线方向相同 所以粒子带正电 2 粒子向电场线密的空间运动可知加速度增大 3 粒子速度方向为轨迹的切线方