教育最新K12版高中物理 第一章 电场电流 第1讲 电荷 库仑定律学案 新人教版选修11.docx
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教育最新K12版高中物理第一章电场电流第1讲电荷库仑定律学案新人教版选修11
第1讲 电荷 库仑定律
[目标定位] 1.了解人类对电现象的认识过程,体会人类探索自然规律的科学方法、科学态度和科学精神.2.了解元电荷的大小;了解电荷守恒定律.3.理解库仑定律的含义和表达式,知道静电力常量;了解库仑定律的适用条件,学习用库仑定律解决简单的问题.
一、接引雷电下九天
美国科学家富兰克林通过著名的风筝实验成功地将天电引入莱顿瓶,并证明闪电是一种放电现象.
二、电荷
1.电荷的电性及相互作用
(1)两种电荷:
用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷,用毛皮摩擦过的硬橡胶棒带负电荷.
(2)作用:
同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引.
2.电荷的多少叫电荷量,用Q(或q)表示,在国际单位制中,电荷量的单位是库仑,简称库,用符号C表示.
3.摩擦起电和感应起电
(1)摩擦起电:
在摩擦起电过程中,失去电子的物体带正电,得到电子的物体带负电.
(2)感应起电:
把电荷移近不带电的导体,导体中的正负电荷分开,使电荷从导体的一部分转移到另一部分.
想一想 原来物体不带电,通过摩擦或感应等方式使物体带上了电,那么摩擦或感应起电是创造了电荷吗?
答案 不是.因为无论哪种起电方式,都没有创造出电荷,起电的本质是电荷在导体间或导体内部发生了转移.
三、电荷守恒
1.电荷守恒定律:
电荷既不能创生,也不能消灭,只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一部分,在转移过程中,电荷的总量不变.
2.元电荷:
电子、质子所带的电荷量是最小电荷量,人们把这个最小电荷量叫做元电荷,用e表示,e=1.60×10-19C.实验表明:
所有带电物体的电荷量或者等于e,或者是e的整数倍.
想一想 一个带电体可以带2.5×10-19C的电荷吗?
答案 不可以.元电荷是最小的电荷量,所有带电物体的电荷量或者等于e,或者是e的整数倍.所以带电体不可能带2.5×10-19C的电荷.
四、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,跟它们电荷量的乘积成正比,跟它们距离的二次方成反比,作用力的方向在它们的连线上.
2.表达式:
F=k
,其中k是一个常量,叫静电力常量,k=9.0×109N·m2/C2.
3.适用条件:
(1)真空中;
(2)静止的点电荷.
4.点电荷
如果带电体间的距离比它们自身线度的大小大得多,以至带电体的形状和大小对相互作用力的影响可以忽略不计,这样的带电体就可以看做点电荷.
想一想 有一位同学,由库仑定律的表达式F=k
得到:
当r→0时,静电力F→∞.这种说法正确吗?
为什么?
答案 不正确.从数学角度分析这是必然的结论,但从物理的角度分析,这一结论是错误的,其原因是:
当r→0时,两电荷已失去了点电荷的前提条件,何况实际的电荷都有一定的大小和形状,根本不会出现r=0的情况,也就是说,在r→0时不能再用库仑定律计算两电荷间的相互作用力.
一、摩擦起电与感应起电的比较
方式
内容
摩擦起电
感应起电
产生及
条件
两不同绝缘体摩擦时
导体靠近带电体时
现 象
两物体带上等量异种电荷
导体两端出现等量异种电荷,且电性与原带电体“近异远同”
原 因
不同物质的原子核对核外电子的束缚能力不同而发生电子得失
导体中的自由电子受到带正(负)电物体吸引(排斥)而靠近(远离)
举 例
毛皮与橡胶棒摩擦后分别带正电和负电
放于电场中的导体两端带有等量异种电荷
实 质
均为电荷在物体之间或物体内部的转移
例1
如图1-1-1所示,将一束塑料包扎带一端打结,另一端撕成细条后,用手迅速捊细条,观察到细条散开了,则产生这种现象的原因是( )
图1-1-1
A.细条之间相互感应起电,相互排斥散开
B.撕成细条后,所受重力减小,细条自然松散
C.撕成细条后,由于空气浮力作用,细条散开
D.由于摩擦起电,细条带同种电荷,相互排斥散开
答案 D
解析 产生这一现象的原因是由于摩擦,使细条上带了同种电荷,由于同种电荷的相互排斥,所以细条散开,故D正确,A、B、C错误.
二、电荷守恒定律的理解和应用
1.“总量”:
指电荷的代数和.
2.起电过程的本质:
电子发生了转移,也就是说物体所带电荷的重新分配.
3.两个完全相同的金属球接触后将平分电荷,即Q1′=Q2′=
,Q1和Q2可以是同种电荷,也可以是异种电荷.
例2
A、B两物体均不带电,相互摩擦后A带负电荷,电荷量大小为Q,则B的带电情况是( )
A.带正电荷,电荷量大于Q
B.带正电荷,电荷量等于Q
C.带负电荷,电荷量大于Q
D.带负电荷,电荷量等于Q
答案 B
解析 根据电荷守恒定律可知,B应带正电荷,电荷量的大小应等于Q,故B正确,A、C、D错误.
三、库仑定律的理解和应用
1.库仑定律的适用条件:
适用于真空中静止的点电荷.真空中的电荷若不是点电荷,如图所示.同种电荷时,实际距离会增大,如图1-1-2(a)所示;异种电荷时,实际距离会减小,如图1-1-2(b)所示.
图1-1-2
2.用公式计算库仑力的大小时,只将电荷量的绝对值代入公式中计算出力的大小,力的方向根据同种电荷相斥、异种电荷相吸加以判断.
3.如果一个点电荷同时受到另外的两个或更多的点电荷的作用力,则它实际受到的库仑力为各个电荷对它的库仑力的矢量和.
4.两个点电荷间的库仑力遵从牛顿第三定律,不管两带电体带电荷量大小如何,它们之间的库仑力大小总是相等的.
例3
真空中有甲、乙两个点电荷,其相互作用力为F.要使它们之间的相互作用力变为2F,下列方法可行的是( )
A.使甲、乙电荷量都变为原来的
倍
B.使甲、乙电荷量都变为原来的
C.使甲、乙之间距离变为原来的
倍
D.使甲、乙之间距离变为原来的
答案 AD
解析 根据库仑定律F=k
分析可得,通过改变电荷量和电荷之间的距离即可改变库仑力的大小,故A、D项正确.
针对训练1 真空中两点电荷所带电量分别为+2Q和-2q,相距为2r,它们之间的静电力是( )
A.k
B.k
C.k
D.k
答案 A
解析 根据F=k
,可得F=k
=k
,故A正确,B、C、D错误.
电荷及其作用
1.关于电荷及相互作用,下列说法中正确的是( )
A.丝绸和玻璃棒摩擦后,玻璃棒带正电是由于丝绸上一些正电荷转移到玻璃棒上
B.丝绸和玻璃棒摩擦后,玻璃棒带正电是由于玻璃棒上一些正电荷转移到丝绸上
C.真空中两个点电荷电荷量均增加为原来的2倍,距离不变,则它们之间的作用力变为原来的4倍
D.真空中两个点电荷间距离增为原来的2倍,电荷量均不变,则它们之间的作用力变为原来的一半
答案 C
解析 能够移动的是负电荷电子,A、B项错误;由库仑定律F=
,C项正确,D项错误.
电荷守恒定律的理解和应用
2.两个完全相同的金属小球A、B所带电荷量分别为+3Q和-Q,将两小球接触后,小球A的带电荷量为( )
A.+3QB.+2Q
C.+QD.-Q
答案 C
解析 小球接触过程中电荷要先中和后平分,Q1′=Q2′=
=
=Q,选项C正确.
库仑定律的理解及应用
3.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.每个点电荷的带电荷量都增大到原来的2倍,电荷间的距离不变
B.保持点电荷的带电荷量不变,使两个点电荷间的距离增大到原来的2倍
C.使一个点电荷的带电荷量加倍,另一个点电荷的带电荷量保持不变,同时使两点电荷间的距离减小为原来的
D.保持点电荷的带电荷量不变,将两个点电荷间的距离减小为原来的
答案 AD
解析 根据库仑定律F=k
,知FA=
=4F,A项正确;FB=
=
,B项错误;FC=
=8F,C项错误;FD=
=4F,D项正确.
4.如图1-1-3所示,小球A固定在绝缘支架上,小球B用丝线悬挂,两小球均带有正电荷.现将A向右移近B,观察到丝线与竖直方向的夹角增大,这表明电荷间的作用力( )
图1-1-3
A.随距离的减小而增大
B.随距离的减小而减小
C.随电荷量的减小而增大
D.随电荷量的减小而减小
答案 A
解析 丝线与竖直方向的夹角增大说明电荷间的作用力增大。
在该题中A、B的电荷量不变,随着A、B间距离的减小电荷间的作用力增大,表明电荷间的作用力随距离的减小而增大,选项A正确.
(时间:
60分钟)
题组一、电荷及其作用
1.电荷量的国际单位是( )
A.千克B.库仑
C.伏特D.牛顿
答案 B
2.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荷量的单位。
关于元电荷,下列说法中不正确的是( )
A.把质子或电子叫元电荷
B.1.60×10-19C的电荷量叫元电荷
C.电子带有最小的负电荷,其电荷量的绝对值叫元电荷
D.质子带有最小的正电荷,其电荷量的绝对值叫元电荷
答案 A
解析 最小电荷量叫做元电荷,用e表示,e=1.60×10-19C,选项B正确;质子和电子所带的电荷量的绝对值叫元电荷,但它们本身并不是元电荷,选项A错误,C、D正确.
3.将两只充气气球在头发上摩擦后放在绝缘水平桌面上,关于两只气球之间的静电相互作用,下列说法正确的是( )
A.气球带同种电荷相互吸引
B.气球带同种电荷相互排斥
C.气球带异种电荷相互吸引
D.气球带异种电荷相互排斥
答案 B
解析 两只气球分别与头发摩擦后会带有同种电荷,同种电荷相互排斥,故B正确,A、C、D错误..
题组二、电荷守恒定律的理解和应用
4.带电微粒所带的电荷量不可能是下列值中的( )
A.2.4×10-19CB.-6.4×10-19C
C.-1.6×10-18CD.4.0×10-17C
答案 A
解析 任何带电体的电荷量都只能是元电荷电荷量的整数倍,元电荷电荷量为e=1.60×10-19C,选项A中电荷量为
倍,B中电荷量为4倍,C中电荷量为10倍,D中电荷量为250倍.B、C、D选项中的电荷量数值均是元电荷的整数倍,所以只有选项A是不可能的.
5.导体A带5q的正电荷,另一完全相同的导体B带-q的负电荷,将两导体接触后再分开,则导体B的带电荷量是( )
A.-qB.q
C.2qD.4q
答案 C
解析 导体接触过程中电荷要先中和后平分,Q1′=Q2′=
=
=2q,选项C正确.
6.如图1-1-4所示,将带正电的金属小球接触原来不带电的验电器A端之后拿走,关于验电器的带电情况正确的是( )
图1-1-4
A.A端带正电,B端带正电
B.A端带负电,B端带负电
C.A端带负电,B端带正电
D.A端带正电,B端带负电
答案 A
解析 根据电荷守恒定律可知,验电器的A端、B端都带了正电,故A正确,B、C、D错误.
题组三、库仑定律的理解及应用
7.关于点电荷,以下说法正确的是( )
A.足够小的电荷,就是点电荷
B.一个电子,不论在何种情况下均可视为点电荷
C.点电荷是一种理想化的模型
D.一个带电体能否看成点电荷,不是看它尺寸的绝对值,而是看它的形状和尺寸对相互作用力的影响能否忽略不计
答案 CD
解析 点电荷是一个抽象的物理模型,类似于质点模型,带电体的形状和大小对电学特征影响很小,以至于可以忽略时,该带电体可以看作点电荷,故C、D选项正确.
8.在真空中有两个点电荷,它们之间的静电力为F.如果保持它们各自所带的电荷量不变,将它们之间的距离减小到原来的一半,那么它们之间静电力的大小等于( )
A.2FB.
C.4FD.
答案 C
解析 由库仑定律F=k
知,电荷量不变,r减小到原来的一半,则F′=
=4k
=4F.
9.带电体A固定在绝缘支架上,用一根绝缘丝线将带电小球依次悬挂在1、2、3、4、5、6六个不同的位置,丝线偏转情况如图1-1-5所示.小球在不同位置时受到带电体A的库仑力( )
图1-1-5
A.方向不同,离A越远库仑力越小
B.方向相同,离A越远库仑力越小
C.方向相同,离A越远库仑力越大
D.方向不同,离A越远库仑力越大
答案 A
解析 小球在不同位置时受到带电体A的库仑斥力方向不同,大小与距离有关,也不同,根据F=
,判断离A越远库仑力越小.
题组四、电荷守恒定律和库仑定律的综合应用
10.如图1-1-6所示,点电荷+Q固定,点电荷+q沿直线从A运动到B.此过程中,两电荷间的库仑力是( )
图1-1-6
A.吸引力,先变小后变大
B.吸引力,先变大后变小
C.排斥力,先变小后变大
D.排斥力,先变大后变小
答案 D
解析 因两点电荷是同种电荷,所以它们之间的库仑力为斥力,又因两点电荷之间的距离先减小后增大,根据F=k
可知库仑力先变大后变小,故D正确,A、B、C错误.
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