库仑定律知识点及经典例题

库仑定律知识点及经典例题库仑定律知识点及经典例题 1 电荷 电荷守恒 电荷 电荷守恒 自然界中只存在两种电荷 正电荷 负电荷 使物体带电的方法有摩擦起电 接触起电 感应起电 静电感应 当一个带电体靠近导体时 由于电荷间的相互吸引或排斥 使导体靠近带电 体的一端带异号电荷 远离带电体的一端带同号电荷 电荷守恒 电荷即不会创生 也不会消失 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 在转移过程中 电荷总量保持不变 一个与外界没有电荷交换 的系统 电荷的代数和保持不变 元电荷 指一个电子或质子所带的电荷量 用 表示 1 6 10 19C 2 库仑定律 库仑定律 真空中两个点电荷之间相互作用的电场力 跟它们电荷量的乘积成正比 跟它们的距离 的二次方成反比 作用力的方向在它们的连线上 即 其中 k 为静电力常量 2 21 r qkq F k 9 0 10 9 N m2 c2 成立条件 真空中 空气中也近似成立 点电荷 即带电体的形状和大小对相互作用力的影响 可以忽略不计 对带电均匀的球 r 为球心间的距离 3 电场强度 电场强度 电场 带电体的周围存在着的一种特殊物质 它的基本性质是对放入其中的电荷有力的 作用 这种力叫电场力 电荷间的相互作用就是通过电场发生作用的 电场还具有能的性质 电场强度 E 反映电场强弱和方向的物理量 是矢量 定义 放入电场中某点的试探电荷所受的电场力 F 跟它的电荷量 的比值 叫该点的电 场强度 即 单位 V F E q 场强的方向 规定正电荷在电场中某点的受力方向为该点的场强方向 说明 电场中某点的场强与放入场中的试探电荷无关 而是由该点的位置和场源电何来 决定 点电荷的电场强度 其中 Q 为场源电荷 E 为场中距 Q 为 r 的某点处的场E 2 Q k r 强大小 对于求均匀带电的球体或球壳外某点的场强时 r 为该点到球心的距离 电场强度的叠加 当存在多个场源电荷时 电场中某点的场强为各个点电荷单独在该点 产生的电场强度的矢量和 电场线 为形象描述电场而引入的假想曲线 电场线从正电荷或无限远出发 终止于无限远或负电荷 电场线不相交 也不相切 更不能认为电场就是电荷在电场中的运动轨迹 同一幅图中 场强大的地方电场线较密 场强小的地方电场线较疏 匀强电场 电场中各点场强大小处处相等 方向相同 匀强电场的电场线是一些平行的等间 距的平行线 例题 1 半径为r的两个相同金属球 两球心相距为L L 3r 它们所带电荷量的绝 对值均为q 则它们之间相互作用的静电力F A 带同种电荷时 F B 带异种电荷时 F 2 2 L q k 2 2 L q k C 不论带何种电荷 F D 以上各项均不正确 2 2 L q k 题干 两个相同金属球 答案 AB 解析 应用库仑定律解题时 首先要明确其条件和各物理量之间的关系 当两带电金 属球靠得较近时 由于同种电荷互相排斥 异种电荷互相吸引 两球所带电荷的 中心 偏离球心 在计算其静电力F时 就不能用两 球心间的距离L来计算 若两球带同种电荷 两球带电 中心 之间的距离大于L 如图 1 2 1 a 所示 图 1 2 1 则F 故A选项是对的 同理B选项也是正确的 2 2 L q k 例题 2 如图 1 2 2 所示 三个完全相同的金属球a b c位于等边三角形的三个顶 点上 a和c带正电 b带负电 a所带电荷量的大小比b的小 已知c受到a和b的静电 力的合力可用图中有向线段中的一条来表示 它应是 A F1 B F2 C F3 D F4 图 1 2 2 题干 三个完全相同的金属球 答案 B 解析 根据 同电相斥 异电相吸 的规律 确定电荷 c 受到 a 和 b 的库仑力方向 考 虑 a 的带电荷量大于 b 的带电荷量 因为 F 大于 F F 与 F 的合力只能是 F 故选 baba2 项 B 正确 例题 3 两个大小相同的小球带有同种电荷 可看作点电荷 质量分别为m和m 带 12 电荷量分别是q和q 用绝缘线悬挂后 因静电力而使两悬线张开 分别与铅垂线方向 12 成夹角 和 且两球同处一水平线上 如图 1 2 3 所示 若 则下述结论 1212 正确的是 A q 一定等于 q 12 B 一定满足 q m q m 1122 C m 一定等于 m 12 D 必须同时满足 q q m m 1212 图 1 2 3 题干 两个大小相同的小球带有同种电荷 答案 C 解析 两小球处于静止状态 故可用平衡条件去分析 小球 m 受到 F F m g 三个 111 力作用 建立水平和竖直方向建立直角坐标系如图 1 2 4 所示 此时只需分解 F 由平 1 衡条件得 0sin 11 2 21 F r qq k 0cos 111 gmF 所以 同理 对 m 分析得 图 1 2 4 2 1 21 1 grm qkq tg 2 2 2 21 2 grm qkq tg 因为 所以 所以 可见 只要 m m 不管 q q 如何 21 21 tgtg 21 mm 1212 都等于 所以 正确答案是 C 1 2 例题 4 有三个完全相同的金属球 带电量 带电量 不带ABCA7QB QC 电 将 固定 且 间距离远大于其半径 然后让反复与 接触 最后移走ABABCAB 球 试问 间的相互作用力变为原来的多少倍 CAB 导析导析 本题涉及中和 接触起电等现象及电荷守恒定律 库仑定律等知识 在审题时 能从 反复与 接触 这句话中挖掘出最终三球带电量相同这一隐含条件是至关重要的 CAB 解答解答 球反复与 接触 最后三个球带相同的电量 其电量CAB 7 2 3 QQ QQ 设 球间距离为 其原先的相互作用力大小 ABr 2 12 222 7 7 Aq qQ QQ Fkkk rrr 球碰后的相互作用力大小 AB 2 12 222 22 4 Aq qQQQ Fkkk rrr 故 间的相互作用力变为原来的倍 4 7 FFAB 4 7 3 将带电体视作点电荷的条件 将带电体视作点电荷的条件 例题 5 两个半径为 r 的金属球如图所示放置 若两球带有等量异种 Q 时 两球间的相互作用的店里大小为 F 则 若带等量异种电荷选哪个 A B 无法判 2 2 16r Q kF 2 2 16r Q kF 2 2 16r Q kF 断 导析导析 由于带电球间电荷的相互作用 使其电荷中心并不位于其球心处 故引起库仑力公式中 的发生了变化 r 解答解答 将两带电金属球视为电荷集中于球心的点电荷 根据库仑定律有 2 12 22 16 q qQ Fkk rr 故由此很容易错选 A 事实上球的线度与两球之间的距离差不多 且两金属 球带异种电荷 相互吸引的电力使两球上的电荷分布不均匀 故不能将两球视为 电荷集中于球心的点电 荷 分析问题时 要特别注意由此引起的的变化 r 所带异种电荷的吸引作用 使电荷较多地分布在彼此靠近的球面处 使两球 上的 电荷 中心 之间的距离小于 故 选项 B 正确 4r 2 2 16 Q Fk r 例题 6 如图 1 1 3 所示 真空中有一直径为的带电圆盘 圆心为 圆盘RO 外有 两点 其连线过圆心点且与盘面垂直 若 有一电荷在点受带ABO OAABRA 电圆盘的力为 则它在点时的受力为 FB A B 4 F 4F C D 以上答案都不对 2 F 4r 导析导析 在应用物理定律前首先要分析是否满足库仑定律成立的条件 因此 做本题时只要先思 考一下库仑定律成立的条件即可避免出错 解答解答 由 因 不变 所以 变为原来的 2 倍 将变为原来的 12 2 q q Fk r 1 q 2 q 2 1 F r rF 故本题很容易错选 A 但必须注意 因为本题中不满足 点电荷 这个条件 故不能应用库 1 4 仑定律求解 因此正确答案应选 D 拓展拓展 带电圆盘直径为 使相距处的质子所受库仑力为 那么质子在相距10cm10mF 处受力为 对吗 答案 对 20m 1 4 F 二 常见题型二 常见题型 1 补偿法 补偿法 例题 7 如图所示 一个半径为 R 的绝缘球壳上均匀分布有总电荷量为 Q 的电荷 另一个 电荷量为 q 的点电荷固定在该球壳的球心 O 处 现在从球壳最左端 M 挖去一个半径为 r r R 的小圆孔 则此时位于球心处的点电荷所受库仑力的大小和方向将如何 导析导析 本题需用补偿法 即把挖去小孔的情况等效为不是挖去小孔而是在小孔处补上一个等量 的负电荷 这样可大大简化解题过程 但需要注意的是 添补电荷的结果应以不影响原带电体 的电荷分布为前提 解答解答 对于带电球体 可把它分割成很多小块 以致每一小块都可看成点电荷 这样每一小缺 点电荷对放在球心的点电荷的库仑力大小相等 方向对称相反 因而点电荷所受合力为零 q 挖去小孔后 相当于在小孔处放一等量异种点电荷 则 q 2 2 22 44 A QQr qr RR 对施加的库仑力 qq 2 2 2 222 4 4 AQrq qqkqQr R Fkk RRR 方向由球心指向小孔中心 例题 8 一半径为 的硬橡胶圆环均匀带负电 电量为 Q 若截取环顶部的一小段圆弧 S 且 求剩余电荷对放在环心处带电量为 的正点电荷产生的库仑力的大小和LS r L 方向 答案 由环