文档选修3-1-老师02

第2讲库仑定律[目标定位]1.知道点电荷的概念.2.识记库仑定律的公式和适用条件.3.会用库仑定律进行有关的计算．一、探究影响点电荷之间相互作用的因素1．点电荷：当一个带电体本身的线度比它到其他带电体的距离小很多，以至于在研究它与其他带电体的相互作用时，该带电体的形状、大小及电荷分布状况均无关紧要，该带电体可以看做一个带电的点．这样的带电体称为点电荷，点电荷就是一种理想化的物理模型．2．电荷之间的相互作用随电荷量的增大而增大，随他们之间距离的增大而减小．想一想体积很小的带电体一定可以看做点电荷吗？答案不一定，带电体看做点电荷的条件是带电体本身的线度比它到其它带电体的距离小很多，它的形状、大小与电荷在其上的分布状况均无关紧要，所以体积小的带电体不一定可以看做点电荷．二、库仑定律1．真空中两个静止点电荷之间的相互作用力(斥力或引力)与这两个电荷所带电荷量的乘积成正比，与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．2．公式：F＝keq\f(q1q2,r2)，其中k＝9.0×109N·m2/C2，叫做静电力常量．3．适用条件：(1)在真空中；(2)点电荷．4．静电力的叠加：对于两个以上的点电荷，其中每一个点电荷所受的总的静电力，等于其他点电荷分别单独存在时对该点电荷的作用力的矢量和，这个结论叫做静电力的叠加原理．想一想库仑定律的表达式和我们以前学过的哪一个力相似，你能说说它们的异同点吗？答案万有引力共同点：①都与距离的平方成反比②都有一个常量区别：万有引力与两个物体质量有关，只有引力；库仑定律与两个物体电荷量有关，有引力，也有斥力.一、对点电荷的理解1．点电荷是理想化的物理模型，点电荷只有电荷量，没有大小、形状，类似于力学中的质点，实际并不存在．2．一个带电体能否看做点电荷，是相对于具体问题而言的，不能单凭其大小和形状确定．例1关于点电荷，下列说法中正确的是()A．点电荷就是体积小的带电体B．球形带电体一定可以视为点电荷C．带电少的带电体一定可以视为点电荷D．大小和形状对作用力的影响可忽略的带电体可以视为点电荷答案D解析点电荷不能理解为体积很小的带电体，也不能理解为电荷量很少的带电体．同一带电体，有时可以看做点电荷，有时则不能，如要研究它与离它较近的电荷间的作用力时，就不能看成点电荷，而研究它与离它很远的电荷间的作用力时，就可以看做点电荷．带电体能否看成点电荷，要依具体情况而定，A、B、C均错．二、对库仑定律的理解和应用1．库仑定律成立的条件是真空中两个点电荷间的相互作用力．但空气中两点电荷间的相互作用力也可以近似用库仑定律计算．2．两个点电荷之间相互作用的库仑力遵守牛顿第三定律，即两带电体间的库仑力是一对作用力与反作用力．不要认为电荷量大的电荷对电荷量小的电荷作用力大．3．用公式计算库仑力大小时，不必将表示电荷Q1、Q2的带电性质的正、负号代入公式中，只将其电荷量的绝对值代入公式中从而算出力的大小；力的方向再根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引加以判别.例2有三个完全一样的金属球A、B、C，A球带的电荷量为7Q，B球带的电荷量为－Q，C球不带电，将A、B两球固定，然后让C球先跟A球接触，再跟B球接触，最后移去C球，则A、B球间的作用力变为原来的多少倍？答案eq\f(5,8)解析设A、B两球间的距离为r，由库仑定律知，开始时A、B两球之间的作用力为F＝keq\f(7Q×Q,r2).当A、C两球接触时，据电荷均分原理可知，两球均带电荷量为eq\f(7,2)Q.当B、C两球接触时，两球均带电荷量为eq\f(1,2)(eq\f(7,2)Q－Q)＝eq\f(5,4)Q.故现在A、B两球间的作用力F′＝keq\f(\f(7,2)Q×\f(5,4)Q,r2)＝eq\f(5,8)F.所以eq\f(F′,F)＝eq\f(5,8).借题发挥若两个金属小球的电荷量分别为Q1、Q2，第三个完全相同的不带电的金属对点电荷的理解1．下列说法中正确的是()A．点电荷是一种理想模型，真正的点电荷是不存在的B．点电荷就是体积和带电量都很小的带电体C．根据F＝keq\f(Q1Q2,r2)可知，当r→0时，F→∞D．一个带电体能否看成点电荷，不是看它的尺寸大小，而是看它的形状和大小对所研究的问题的影响是否可以忽略不计答案AD解析点电荷是一种理想模型，一个带电体能否看成点电荷不是看其大小，而是应具体问题具体分析，是看它的形状和尺寸对相互作用力的影响能否忽略不计．因此大的带电体一定不能看成点电荷和小的带电体一定能看成点电荷的说法都是错误的，所以本题A、D对．静电力的叠加2.图1－2－3如图1－2－3所示，等边三角形ABC，边长为L，在顶点A、B处有等量同种点电荷QA、QB.即QA＝QB＝＋Q，求在顶点C处的点电荷＋QC所受的静电力．答案eq\r(3)keq\f(QQC,L2)，方向为与AB连线垂直向上．解析带电小球C受力情况如图所示，QA、QB对QC的作用力大小和方向都不因其他电荷的存在而改变，仍然遵守库仑定律．QA对QC作用力：FA＝keq\f(QAQC,L2)，同种电荷相斥，QB对QC作用力：FB＝keq\f(QBQC,L2)，同种电荷相斥，因为QA＝QB，所以FA＝FB，QC受力的大小：F1＝eq\r(3)FA＝eq\r(3)keq\f(QQC,L2)，方向为与AB连线垂直向上．对库仑定律公式的理解和应用3．两个相同的金属小球(可视为点电荷)所带电量之比为1∶7，在真空中相距为r，把它们接触后再放回原处，则它们间的静电力可能为原来的()A.eq\f(4,7)B.eq\f(3,7)C.eq\f(9,7)D.eq\f(16,7)答案CD解析如果两小球带同种电荷，由库仑定律可知F＝keq\f(q·7q,r2)，F′＝keq\f(4q·4q,r2)，F′＝eq\f(16,7)F，D选项正确；如果两小球带异种电荷，由库仑定律可知F＝keq\f(q·7q,r2)，F′＝keq\f(3q·3q,r2)，F′＝eq\f(9,7)F，C选项正确，故选C、D.4.图1－2－4两根光滑绝缘棒在同一竖直平面内，两棒与水平面间均成45°角，棒上各穿有一个质量为m、带电荷量为Q的相同小球，如图1－2－4所示．现两小球均处于静止状态，求：两球之间的距离L.答案eq\r(\f(kQ2,mg))解析对其中任意小球受力分析，受竖直向下的重力、垂直于棒的弹力、水平方向的库仑力，三者的合力为零．库仑力F＝keq\f(Q2,L2)，有平衡关系eq\f(F,mg)＝tan45°，解之得L＝eq\r(\f(kQ2,mg)).(时间：60分钟)图1－2－51．如图1－2－5所示，一带正电的物体位于M处，用绝缘丝线系上带正电的小球，分别挂在P1、P2、P3的位置，可观察到小球在不同位置时丝线偏离竖直方向的角度不同．则下面关于此实验得出的结论中正确的是()A．电荷之间作用力的大小与两电荷间的距离有关B．电荷之间作用力的大小与两电荷的性质有关C．电荷之间作用力的大小与两电荷所带的电量有关D．电荷之间作用力的大小与丝线的长度有关答案A解析在研究电荷之间作用力大小的决定因素时，采用控制变量的方法进行，如本实验，根据小球的摆角可以看出小球所受作用力逐渐减小，由于没有改变电性和电量，不能研究电荷之间作用力和电性、电量关系，故B、C、D错误，A正确．图1－2－62．用控制变量法，可以研究影响电荷间相互作用力的因素．如图1－2－6所示，O是一个带电的物体，若把系在丝线上的带电小球先后挂在横杆上的P1、P2、P3等位置，可以比较小球在不同位置所受带电物体的作用力的大小．这个力的大小可以通过丝线偏离竖直方向的角度θ显示出来．若物体O的电荷量用Q表示，小球的电荷量用q表示，物体与小球间距离用d表示，物体和小球之间的作用力大小用F表示．则以下对该实验现象的判断正确的是()A．保持Q、q不变，增大d，则θ变大，说明F与d有关B．保持Q、q不变，减小d，则θ变大，说明F与d成反比C．保持Q、d不变，减小q，则θ变小，说明F与q有关D．保持q、d不变，减小Q，则θ变小，说明F与Q成正比答案C解析保持Q、q不变，根据库仑定律公式F＝keq\f(Qq,d2)，增大d，库仑力变小，则θ变小，减小d，库仑力变大，则θ变大．实验表明，F与d的二次方成反比，故A、B错误；保持Q、d不变，减小q，则库仑力变小，θ变小，知F与q有关．故C正确；保持q、d不变，减小Q，则库仑力变小，θ变小，根据库仑定律公式F＝keq\f(Qq,d2)，知F与两电荷的乘积成正比，故D错误．题组二库仑定律的理解3．关于库仑定律，下列说法中正确的是()A．库仑定律适用于点电荷，点电荷其实就是体积很小的球体B．根据F＝keq\f(q1q2,r2)，当两电荷的距离趋近于零时，静电力将趋向无穷大C．若点电荷q1的电荷量大于q2的电荷量，则q1对q2的静电力大于q2对q1的静电力D．库仑定律和万有引力定律的表达式相似，都是平方反比定律答案D解析点电荷是实际带电体的近似，只有带电体的大小和形状对电荷的作用力影响很小时，实际带电体才能视为点电荷，故选项A错误；当两个电荷之间的距离趋近于零时，不能再视为点电荷，公式F＝keq\f(q1q2,r2)不能用于计算此时的静电力，故选项B错误；q1和q2之间的静电力是一对相互作用力，它们的大小相等，故选项C错误；库仑定律与万有引力定律的表达式相似，研究和运用的方法也很相似，都是平方反比定律，故选项D正确．4．要使真空中的两个点电荷间的库仑力增大到原来的4倍，下列方法可行的是()A．每个点电荷的电荷量都增大到原来的2倍，电荷间的距离不变B．保持点电荷的电荷量不变，使两个电荷间的距离增大到原来的2倍C．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，同时使两个点电荷间的距离减小为原来的eq\f(1,2)D．保持点电荷的电荷量不变，将两个点电荷间的距离减小为原来的eq\f(1,4)答案A解析根据库仑定律F＝keq\f(q1q2,r2)可知，当r不变时，q1、q2均变为原来的2倍，F变为原来的4倍，A正确；同理可求得B、C、D中F均不满足条件，故B、C、D错误．图1－2－75．如图1－2－7所示，两个带电球，大球的电荷量大于小球的电荷量，可以肯定()A．两球都带正电B．两球都带负电C．大球受到的静电力大于小球受到的静电力D．两球受到的静电力大小相等答案D解析两个带电体之间存在着排斥力，故两球带同号电荷，可能都带正电，也可能都带负电，故选项A、B都错；静电力遵循牛顿第三定律，两球受到的静电力大小相等，故C项错，D项对．6．半径为R、相距较近的两个较大金属球放在绝缘桌面上．若两球都带等量同号电荷Q时，它们之间的静电力为F1，两球带等量异号电荷Q与－Q时，静电力为F2，则()A．F1＞F2B．F1＜F2C．F1＝F2D．不能确定答案B解析因为两个金属球较大，相距较近，电荷间的相互作用力使电荷分布不均匀，故不能简单地把两球看成点电荷．带等量同号电荷时，两球的电荷在距离较远处分布得多一些，带等量异号电荷时，两球的电荷在距离较近处分布得多一些，可见带等量同号电荷时两球电荷中心间距离大于带等量异号电荷时电荷中心间距离，所以有F1＜F2，故B项正确．图1－2－87．如图1－2－8所示，在绝缘的光滑水平面上，相隔一定距离有两个带同种电荷的小球，从静止同时释放，则两个小球的加速度和速度大小随时间变化的情况是()A．速度变大，加速度变大B．速度变小，加速度变小C．速度变大，加速度变小D．速度变小，加速度变大答案C解析因电荷间的静电力与电荷的运动方向相同，故电荷将一直做加速运动，又由于两电荷间距离增大，它们之间的静电力越来越小，故加速度越来越小．题组三库仑力的叠加图1－2－98．如图1－2－9所示，三个完全相同的金属小球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所带的电荷量比b所带的电荷量小．已知c受到a和b的静电力的合力可用图中四条有向线段中的一条来表示，它应是()A．F1B．F2C．F3D．F4答案B解析据“同电相斥，异电相吸”规律，确定金属小球c受到a和b的静电力方向，考虑a的带电荷量小于b的带电荷量，根据平行四边形定则求合力如图所示，选项B正确．图1－2－109．如图1－2－10所示，两个点电荷，电荷量分别为q1＝4×10－9C和q2＝－9×10－9C，两者固定于相距20cm的a、b两点上，有一个点电荷q放在a、b所在直线上，且静止不动，该点电荷所处的位置是何处()A．a的左侧40cmB．a、b的中点C．b的右侧40cmD．无法确定答案A解析根据平衡条件，它应在q1点电荷的外侧，设距q1距离为x，有keq\f(q1q,x2)＝keq\f(q2q,（x＋20）2)，将q1＝4×10－9C，q2＝－9×10－9C代入，解得x＝40cm，故选项A正确．图1－2－1110．如图1－2－11所示，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，每个电荷都是＋2×10－6C，则q3所受的库仑力的大小为________，方向为________．答案0.25N方向沿q1与q2连线的垂直平分线向外解析如图所示，每个点电荷都受到其他两个点电荷的斥力，只求出其中一个点电荷受的库仑力即可．以q3为研究对象，共受到F1和F2的作用，q1＝q2＝q3＝q，相互间的距离r都相同．F1＝F2＝keq\f(q2,r2)＝0.144N根据平行四边形定则，合力为F＝2F1cos30°＝0.25N.合力的方向沿q1与q2连线的垂直平分线向外．11．如图1－2－12所示，在一条直线上的三点分别放置QA＝＋3×10－9C、QB＝－4×10－9C、QC＝＋3×10－9C的A、B、C点电荷，则作用在点电荷A上的作用力的大小为______N.图1－2－12答案9.9×10－4解析点电荷A同时受到B和C的库仑力作用，因此作用在A上的力应为两库仑力的合力．可先根据库仑定律分别求出B、C对A的库仑力，再求合力．A受到B、C电荷的库仑力如图所示，根据库仑定律有FBA＝eq\f(kQBQA,req\o\al(2,BA))＝eq\f(9×109×4×10－9×3×10－9,0.012)N＝1.08×10－3NFCA＝eq\f(kQCQA,req\o\al(2,CA))＝eq\f(9×109×3×10－9×3×10－9,0.032)N＝9×10－5N规定沿这条直线由A指向C为正方向，则点电荷A受到的合力大小为FA＝FBA－FCA＝(1.08×10－3－9×10－5)N＝9.9×10－4N.题组四库仑力作用下的平衡12.图1－2－13如图1－2－13所示，把一带电量为Q＝－5×10－8C的小球A用绝缘细绳悬起，若将带电量为q＝＋4×10－6C的带电小球B靠近A，当两个带电小球在同一高度相距30cm时，绳与竖直方向成45°角，取g＝10m/