一、电荷库仑定律

第一节电荷 库仑定律 第一章静电场 历史回顾公元前600年左右 希腊人发现了摩擦过的琥珀吸引轻小物体的现象 16世纪 英国御医吉尔伯特提出了电荷的概念 18世纪 美国科学家富兰克林提出了正负电荷的概念 问题一 初中学过自然界有几种电荷 它们间的相互作用如何 电荷的多少用什么表示 问题二 一般情况下物体不带电 不带电的物体内是否存在电荷 如何使物体带电 问题三 摩擦起电的实质是什么 自然界只存在两种电荷 同种电荷互相排斥 异种电荷相互吸引 电荷的多少是用电荷量来表示 不带电的物体内存在电荷 且存在等量正 负电荷 在物体内中和 对外不显电性 用摩擦的方法可以使物体带电 用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电 用毛皮摩擦过的硬橡胶棒带负电 一个物体失去一些电子而带正电 另一个物体得到这些电子而带负电 一 电荷 电荷是一种物质属性 1 自然界中有两种电荷 1 正电荷 丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷 2 负电荷 毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷 同种电荷相互排斥 异种电荷相互吸引 2 几个基本概念 阅读课本p4页回答下列问题 1 电荷的多少如何表示 它的单位是什么 电荷量 电荷的多少 简称电量 单位 库仑C 比较电荷带电的多少 要比较的是其电荷量的绝对值电荷量的正负不表示电荷量的大小 只代表电荷的性质 2 什么是元电荷 一个电子就是一个元电荷吗 一个电子所带电量为元电荷 所有带电体所带电荷量只能是元电荷的整数倍 3 元电荷的数值是多少 它的数值最早是由哪位物理学家测定的 元电荷的值 美国科学家密立根 4 什么是比荷 电子的比荷是多少 带电体的电荷量与质量的比值叫做比荷 例1 关于元电荷的理解 下列说法中正确的是 A 元电荷就是电子B 元电荷是表示跟电子所带电荷量数值相等的电荷量C 元电荷就是质子D 物体所带的电荷量只能是元电荷的整数倍 练习1 科学家在研究原子 原子核及基本粒子时 为了方便 常常用元电荷作为电量的单位 关于元电荷 下列论述正确的是 A 把质子或电子叫元电荷 B 1 60 10 19C的电量叫元电荷 C 电子带有最小的负电荷 其电量的绝对值叫元电荷 D 质子带有最小的正电荷 其电量的绝对值叫元电荷 练习2 带电微粒所带的电荷量不可能是下列值中的 2 4 10 19CB 6 4 10 19CC 1 6 10 18CD 4 0 10 17C 自然界有几种起电方式呢 三种摩擦起电 接触起电 感应起电 二 三种起电方式 1 摩擦起电 原子的构成 原子 原子核 核外电子 质子 中子 正电 不带电 核外电子 离原子核较远的电子容易受到外界的作用而脱离原子 物质的微观结构是怎样的 摩擦起电的原因是什么 摩擦时电子从一个物体转移到另一个物体上 得到电子 带负电失去电子 带正电 中性 负电 正电 摩擦起电原因 不同物质的原子核束缚电子的能力不同 当两个物体互相摩擦时 一些束缚得不紧的电子往往从一个物体转移到另一个物体 于是原来电中性的物体由于得到电子而带负电 失去电子的物体则带正电 实质 相互作用的物体间电子的转移 结果 两个相互摩擦的物体带上了等量异种电荷 注 一般情况要求这两个相互摩擦的物体为绝缘体 例2挂在绝缘细线下的两轻质导体球 由于电荷的相互作用靠近或远离 如图所示 则 A甲图中两球一定带异种电荷 B甲图中至少有一个带电 C乙图中两球一定带同种电荷 D乙图中两球可能只有一个带电 练习3 关于摩擦起电 下列说法中正确的是 A 两个物体相互摩擦时一定会发生带电现象B 摩擦起电的两个物体一定带有等量同种电荷C 在摩擦起电现象中负电荷从一个物体转移到另一个物体D 在摩擦起电现象中正 负电荷同时发生转移 C 2 接触起电 接触带电的实质 电子在不同物体间的转移 不带电的物体跟带电的物体接触时 使原来不带电的物体带电的现象 原因 异种电荷相互吸引或同种电荷相互排斥 使电子从一个物体转移到另一个物体 从而使原来不带电的物体带上电荷 问题 原来不带电的物体会带上多大的电量 原来的带电体所带电量还剩下多少 注 原来不带电的物体接触后所带电性与原来带电体所带电性相同 表述一 电荷既不能创造 也不能消灭 它只能从一个物体转移到另一个物体 或从物体的一部分转移到另一部分 在转移的过程中 系统的电荷总数保持不变 表述二 一个与外界没有电荷交换的系统 电荷的代数和总是保持不变 电荷守恒定律 电荷平分原则 两个完全相同的带电导体 接触后再分开 二者将原来所带电量的总和平均分配 例3 半径相同的两个金属小球A B带有相等的电荷量 相隔一定的距离 今让第三个半径相同的不带电的金属小球先后与A B接触后移开 若A B两球带同种电荷 接触后的电荷量之比为 若A B两球带异种电荷 接触后两球的带电荷量之比为 练习4 把两个完全相同的小球接触后分开 两球相互排斥 则两球原来带电情况可能是 A 其中一个带电 一个不带电B 两个小球原来带等量异种电荷C 两个小球原来带同种电荷D 两个小球原来带不等量异种电荷 作业1 有三个相同的绝缘金属小球A B C 其中小球A带有2 0 10 5C的正电荷 小球B C不带电 现在让小球C先与球A接触后取走 再让小球B与球A接触后分开 最后让小球B与小球C接触后分开 最终三球的带电荷量分别是多少 金属导电机理 金属内有自由移动的电子 自由电子 正离子在自己的平衡位置附近振动而不移动 3 感应起电 利用静电感应使物体带电 近异 远同 感应起电原因 利用静电感应使物体带电 叫做感应起电 规律 近端感应异种电荷 远端感应同种电荷 静电感应 把电荷移近不带电的导体 可以使导体带电的现象 叫做静电感应 实质 电荷重新分配 电荷 电子 从物体的一部分转移到另一部分 结果 使导体靠近带电体的一端带异号电荷 远离的一端带同号电荷 并且导体两端所带电荷量大小相等 等量异种电荷 例4 如图所示 当带正电的球C移近不带电的枕形金属导体时 枕形导体上的电荷移动情况是 A 枕形金属导体上的正电荷向B端移动 负电荷不移动B 枕形金属导体上的带负电的电子向A端移动 正电荷不移动C 枕形金属导体上的正 负电荷同时分别向B端和A端移动D 枕形金属导体上的正 负电荷同时分别向A端和B端移动 练习5 如图所示 将带有负电的绝缘棒移近两个不带电的导体球 两个导体球开始时互相接触且对地绝缘 下列方法中能使两球都带电的是 A 先把两球分开 再移走棒B 先移走棒 再把两球分开C 使棒与甲球瞬时接触 再移走棒D 先使乙球瞬时接地 再移走棒 课堂练习 1 用一根与毛皮摩擦过的硬橡胶棒 靠近不带电验电器的金属小球a 然后用手指瞬间接触一下金属杆c后拿开橡胶棒 这时验电器小球a和金箔b的带电情况是 A a带正电 b带负电B a带负电 b带正电C a b均带正电D a b均带负电 作业2 有三个完全一样的绝缘金属球 A球带的电荷量为q B C均不带电 现要使B球带的电荷量为3q 8 应该怎么办 A 导体B带负电 B 导体B左端出现负电荷 右端出现正电荷 并且电荷量大小相等 C 若A不动 将B沿图中虚线分开 则左边的电荷量小于右边的电荷量 D 若A B接触一下 A B金属体所带总电荷量保持不变 A B 3 如图所示 A B是被绝缘支架分别架 起的金属球 并相隔一定距离 其中A带正电 B不带电 则以下说法中正确的是 4 有A B C三个完全相同的金属球 A带1 2 10 4C的正电荷 B C不带电 现用相互接触的方法使它们都带电 则A B C所带的电荷量可能是下面哪组数据 A 6 0 10 5C 4 0 10 5C 4 0 10 5CB 6 0 10 5C 4 0 10 5C 2 0 10 5CC 4 5 10 5C 4 5 10 5C 3 0 10 5CD 5 0 10 5C 5 0 10 5C 2 0 10 5C 验电器 思考 是否只有当带电体与导体棒的上端直接接触时 金属箔片才开始张开 解释看到的现象 拓展 验电器的主要作用有 1 检验导体是否带电 2 检验导体所带电性 不要求 验电器与静电计在作用上的不同 静电计也称作指针式验电器 这说明它完全具备验电器的各种作用 由于静电计的特殊结构 使得它又具备验电器不能替代的某些作用 1 定量测量两导体间的电势差 2 定量测量某导体的电势 练习1 一个带正电的验电器如图所示 当一个金属球A靠近验电器上的金属球B时 验电器中金属箔片的张角减小 则 A 金属球A可能不带电B 金属球A一定带正电C 金属球A可能带负电D 金属球A一定带负电 练习2用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近已带电的验电器时 发现它的金属箔片的张角减小 由此可判断 A 验电器所带电荷量部分被中和B 验电器所带电荷量部分跑掉了C 验电器一定带正电D 验电器一定带负电 三 库仑定律 一 库仑力静止的电荷间的相互作用称为库仑力 静电力 问题 电荷间的相互作用的强弱 库仑力的大小 和什么有关 二 探究影响电荷间相互作用的因素 猜想 实验装置观察现象结果分析 改变小球电量和两小球间距离 观察小球偏离竖直方向的夹角大小 对应两球间静电力的大小 电荷之间作用力随电荷量增大而增大 随距离的增大而减小 电荷量 间距 q1 q2 三 库仑定律 1 内容 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 与它们距离的二次方成反比 2 表达式 作用力的方向在它们的连线上 静止点电荷点电荷 理想模型 当带电体的形状 大小及电荷分布状况对它们间作用力的影响可忽略不计时 可将其看作有电荷量的点 3 适用条件A 真空中B 点电荷 4 注意 1 k 比例系数 称为静电力常量国际单位 静电力常量是一个与带电体周围介质有关的量真空中 空气中近似相等 物理意义 两个电荷量为1C的点电荷在真空中相距1m时 相互作用力是9 0 109N 2 使用库仑定律计算时 点电荷电量用绝对值代入公式进行计算 然后根据同性相斥 异性相吸判断方向 3 库仑力 静电力 是性质力 具有大小和方向 是矢量 运算遵循矢量运算法则 例1 P7 已知氢核的质量是1 67 10 27kg 电子的质量是9 1 10 31kg 在氢原子内它们之间的最短距离为5 3 10 11m 试比较氢原子中氢核与电子之间的库仑力和万有引力 练习1 P8 真空中有三个点电荷 它们固定在边长50cm的等边三角形的三个顶点上 每个点电荷都是 2 10 6C 求它们各自所受的库仑力 q1 q3 q2 例2 两个半径相同的金属小球其球心间距r远远大于球半径R 带电荷量之比为1 7 两者相互接触后再放回原来位置上 则相互作用力可能为原来的 A 4 7B 3 7C 9 7D 16 7 变式1 两个相同的带电导体小球所带电荷量的比值为1 3 相距为r时相互作用的库仑力的大小为F 今使两小球接触后再分开放到相距为2r处 则此时库仑力的大小为 A 1 12FB 1 6FC 1 4FD 1 3F 作业3 大小相同的金属小球 所带电量的值分别为Q1 Q2 且Q1 1 3Q2 把Q1 Q2放在相距较远的两点 它们间的作用力大小为F 若使两球相接触后再分开放回原位置 求它们间作用力的大小 练习2 要使真空中的两个点电荷间的库仑力增大到原来的4倍 下列方法中可行的是 A 每个点电荷的带电量都增大到原来的2倍 电荷间的距离不变B 保持点电荷的带电量不变 使两个电荷间的距离增大到原来的2倍C 使一个点电荷的电荷量加倍 另一个点电荷的电荷量保持不变 同时将两个点电荷间的距离减小为原来的1 2D 保持点电荷的电荷量不变 将两个点电荷的距离减小到原来的1 2 三 点电荷 带电体的平衡问题 处理方法 1 带电体的平衡问题 力 电平衡类问题 题型一 如图所示 用两根同样长的细绳把两个带同种电荷的小球悬挂在一点 两球的质量相等 A球所带的电荷量大于B球所带的电荷量 两球静止时 悬线与竖直线的偏角分别为 和 则 A B C 思考 如图所示 用两根细绳把两个带同种电荷的小球悬挂在一点 mA mB A球所带的电荷量大于B球所带的电荷量 两球静止时在同一水平线上 悬线与竖直线的偏角分别为 和 则 A B C 练习1 两小球用等长的绝缘细线悬挂于同一点O 两小球因带同号电荷而使球b悬线竖直地靠在墙上 a球被推开一定角度而平衡 今令其失去部分电量 重新平衡后 则关于悬线对a球的拉力大小变化情况为 A 一定增大B 一定减小C 一定不变D 无法确定 b a O 变式2 如图所示 用两根绝缘丝线挂着两个质量相同不带电的小球A和B 此时 上 下丝线受的力分别为TA TB 如果使A带正电 B不带电 上下丝线受力分别为 题型二 在一条直线上有两个相距0 4m的点电荷A B A带电荷量为 Q B带电荷量为 9Q 现引入第三个点电荷C 恰好使三个点电荷处于平衡状态 则C应带什么性质的电荷 电荷量为多少 A B 三个点电荷平衡规律 共线 两同夹异 两大夹小 近小远大 三个点电荷平衡问题 rAC 3r 5 Qc 36Q 25 练习2 A B两个点电荷 相距为r A带有9Q的正电荷 B带有4Q的正电荷 如果A和B固定 应如何放置第三个点电荷q 才能使此电荷处于平衡状态 如果A和B是自由的 又应如何放置第三