9.2 库仑定律（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（人教版2019）

静电场及其应用 第2节　库仑定律 第九章 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 　　明确点电荷是个理想模型。知道带电体简化为点电荷的条件，感悟科学研究中建立理想模型的重要意义。 　　理解库仑定律的内容、公式，会用库仑定律进行相关的计算。 　　了解库仑扭秤实验，领会研究电荷间相互作用规律的物理思想方法。 　　对比库仑定律和万有引力定律的形式，体会物理学的和谐统一之美，提高学习物理的兴趣。 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 一、电荷之间的作用力 1．探究影响电荷之间相互作用力的因素 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ (1)实验现象：(如图所示) ①小球带电荷量一定时，距离带电物体越远，丝线偏离竖直方向的角度____。 ②小球悬挂于同一位置时，小球所带的电荷量越大，丝线偏离竖直方向的角度____。 (2)实验结论：电荷之间的作用力随着电荷量的增大而____，随着距离的增大而____。 必备知识 自主学习 越小 越大 增大 减小 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 2．电荷之间的作用力 类比质点， 是一个理想化模型 ↑ (1)点电荷：当带电体之间的距离比它们自身的大小______，以致带电体的____、____及电荷分布状况对它们之间的作用力的影响可以忽略时，这样的带电体可以看作________，叫作点电荷。 必备知识 自主学习 大得多 形状 大小 带电的点 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 可类比万有引力定律 ↑ (2)库仑定律：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____，与它们的距离的二次方成____，作用力的方向在它们的连线上。 (3)静电力：静止点电荷之间的相互作用力，也叫作____力。 必备知识 自主学习 正比 反比 库仑 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 二、库仑的实验 1．库仑做实验用的装置叫作________。 2．实验原理及过程 (1)库仑的实验是通过悬丝__________比较静电力F大小的。实验结果发现静电力F与距离r的______成反比，即F∝__。 (2)库仑在实验中为研究F与q的关系，根据两个________的金属小球________后，总电荷量________的方法，发现F与q1和q2的____成正比，即F∝q1q2。 必备知识 自主学习 库仑扭秤 扭转的角度 二次方 完全相同 互相接触 平均分配 乘积 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 3．实验结论 (1)静电力F＝____，式中k叫作静电力常量。 (2)当两个点电荷所带电荷为同种时，它们之间的作用力为____；反之，为异种时，它们之间的作用力为____。 (3)在国际单位制中，静电力常量k＝_________________________。 必备知识 自主学习 斥力 引力 9.0×109 N·m2/C2 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 三、静电力计算 1．微观粒子间的万有引力______库仑力。在研究微观带电粒子的相互作用时，可以把万有引力忽略。 2．两个或两个以上点电荷对某一个点电荷的作用力，等于各点电荷单独对这个点电荷的作用力的______。 必备知识 自主学习 远小于 矢量和 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 1．(实验探究)如图所示，一个带正电的物体位于M处，用绝缘丝线系上带正电的相同的小球，分别挂在P1、P2、P3的位置，当小球静止时发现丝线与竖直方向的夹角θ1>θ2>θ3，由此猜想影响电荷间的作用力的因素。判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ (1)当两个带电体的大小远小于它们之间的距离时，可将这两个带电体看成点电荷。(　　 　　) (2)探究电荷之间的作用力与某一因素的关系时，必须采用控制变量法。(　　 　　) (3)两点电荷所带的电荷量越大，它们间的静电力就越大。(　　 　　) (4)两点电荷所带的电荷量一定时，电荷间的距离越小，它们间的静电力就越大。(　　 　　) 必备知识 自主学习 √ √ × √ 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 2．(教材拓展P6)类比思想： 类比是一种重要的物理思维方法。 类比思想是由已知两个(类)事物具有某些相似性质，从而推断它们在其他性质上也可能相似的推理思想(由特殊到特殊)。 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 我国航天事业快速发展，到目前已成功发射了数 百颗国产卫星。中国航天创建60余年来，取得了 以“两弹一星”、载人航天、月球探测为代表的一系列辉煌成就。随着未来对重型火箭、无毒无污染中型火箭、低成本运输火箭等关键技术的不断攻关，中国进入宇宙空间的能力将进一步提升，探索浩瀚宇宙的脚步将越发轻快。如图所示，在航天器系统升空过程中，与大气摩擦产生了大量的静电。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 【例1】 关于点电荷，下列说法正确的是(　　) A．点电荷就是体积足够小的带电体 B．点电荷就是所带电荷量足够小的带电体 C．点电荷就是可以看作质点的带电体 D．当带电体的形状、大小和电荷分布的影响可以忽略时，即可看作点电荷 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 当带电体的形状、大小和电荷分布的影响可以忽略时，即可看作点电荷，所以体积足够小的或者电荷量足够小的带电体不一定能看作点电荷，能看作质点的带电体也不一定能看作点电荷，D正确。 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [练1] 下列关于元电荷和点电荷的说法正确的是(　　) A．元电荷就是点电荷 B．质子就是元电荷 C．点电荷一定是电荷量很小的电荷 D．自然界中存在的两个带电的金属小球，不一定能将它们作为电荷集中在球心的点电荷处理 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 元电荷是最小的电荷量，而点电荷是一种理想化的物理模型，二者不是同一物理概念，A错误；元电荷是最小的电荷量，不是质子，B错误；点电荷是将带电物体简化为一个带电的点，带电体能不能看作点电荷，不是看带电体的体积大小和电荷量大小，而是看带电体的大小相对于带电体间的距离能不能忽略不计，即两个带电体的大小和形状对它们之间相互作用力的影响能不能忽略不计，所以体积很大的带电体在某些具体问题中也可能看作点电荷，电荷量很小的电荷也不一定能看作点电荷，两个带电的金属小球，不一定能将它们作为电荷集中在球心的点电荷处理，C错误，D正确。 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 2．库仑力 (1)利用库仑定律计算库仑力大小时，不必将表示电性的正、负号代入公式，只代入q1、q2的绝对值即可。 (2)利用“同电相斥、异电相吸”来判断方向。 (3)两个点电荷之间的库仑力是一对作用力与反作用力。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 1．两点电荷间的库仑力与周围是否存在其他电荷无关。 2．两个或两个以上点电荷对某一点电荷的作用力，等于各点电荷单独对这个点电荷的作用力的矢量和。 3．静电力的合成与分解满足平行四边形定则，如图所示。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 【例3】 如图所示，直角三角形ABC中∠B＝30°，点电荷A、B所带电荷量分别为QA、QB，测得在C处的某正点电荷所受静电力的方向平行于AB向左，则下列说法正确的是(　　) A．A带正电，QA∶QB＝1∶8 B．A带负电，QA∶QB＝1∶8 C．A带正电，QA∶QB＝1∶4 D．A带负电，QA∶QB＝1∶4 关键能力 互动探究 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [练4] (科技情境)北京时间2023年5月30日9时31分，搭载神舟十六号载人飞船的长征二号F遥十六运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，发射取得圆满成功。火箭升空过程中与大气摩擦产生了大量的静电，下列情况中升空后的长征二号F遥十六运载火箭能被视为点电荷的是(　　) A．研究火箭外部和与其相距1 m处的一个带电微粒之间的静电力 B．研究火箭与地球(带负电)之间的静电力 C．任何情况下都可视为点电荷 D．任何情况下都不可视为点电荷 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 1．下列关于点电荷的说法正确的是(　　) A．点电荷一定是电荷量很小的电荷 B．点电荷是一种理想化模型，实际不存在 C．只有体积很小的带电体才能视为点电荷 D．体积很大的带电体一定不能看成点电荷 素养训练 学业评价 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 AD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 CD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 谢谢观看 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 k 探究点一___对点电荷的理解 [问题设计] (1)在研究“航天系统”与地球间的静电力时，能否把“航天系统”看成点电荷？ (2)如何理解点电荷？ 提示：(1)能。　(2)点电荷是理想化模型，实际中并不存在，是我们抓住主要因素、忽略次要因素抽象出的物理模型。 1．点电荷是理想化模型 只有电荷量，没有大小、形状的理想化模型，类似于力学中的质点，实际中并不存在。 2．带电体看成点电荷的条件 带电体能否看成点电荷视具体问题而定。如果带电体的大小比带电体间的距离小得多，以致带电体的大小及形状可以忽略，此时带电体就可以看成点电荷。 3．注意区分点电荷与元电荷 (1)元电荷是最小的电荷量，其数值等于一个电子或一个质子所带电荷量的绝对值。 (2)点电荷只是不考虑带电体的大小和形状，是带电个体，其带电荷量可以很大也可以很小，但一定是元电荷的整数倍。 探究点二___库仑定律的理解和应用 1．对库仑定律的理解 (1)公式：F＝k。 (2)适用条件：①真空中的静止点电荷； ②均匀带电球体。 注意：r→0时，带电体不能看成点电荷，库仑定律不再适用。 3．两个规则的带电金属球体相距比较近时，不能被看作点电荷，此时必须考虑电荷在球上的实际分布。若带同种电荷时，如图甲所示，由于同种电荷相互排斥，电荷分布于最远的两侧，电荷中心距离大于r，此时F<k；若带异种电荷时，如图乙所示，由于异种电荷相互吸引，电荷分布于最近的两侧，电荷中心距离小于r，此时F>k。 【例2】 (2023·广西玉林期末)关于库仑定律的公式F＝k，下列说法正确的是(　　) A．当真空中的电荷距离很近时，库仑力无穷大 B．库仑力只与两点电荷间的距离r的平方成反比 C．当带电体为两个导体球(球半径相对于距离不可忽略)时，r指的是两球心间的距离 D．q1对q2的库仑力大小等于q2对q1的库仑力大小 当两个电荷距离很近时，两电荷不能看成点电荷，此时库仑定律的公式不再适用，A错误；根据库仑定律可知，库仑力与两点电荷的电荷量的乘积成正比，与两点电荷间的距离r的平方成反比，B错误；当带电体为两个导体球(球半径相对于距离不可忽略)时，带电体不可视为点电荷，电荷分布不均匀，库仑定律不适用，r不是指两球心间的距离，C错误；q1对q2的库仑力与q2对q1的库仑力是一对作用力与反作用力，由牛顿第三定律可知，大小相等，方向相反，D正确。 [练2] (2024·河北石家庄期末)两个半径均为r的相同金属球，球心相距3r，分别带有电荷量－2Q和＋4Q，它们之间库仑力的大小为F，现将两球接触后再放回原处，两小球间距离保持不变，则两小球间库仑力的大小(　　) A．等于F B．小于F C．大于F D．无法确定 两金属球相距较近且开始时带异种电荷，电荷因吸引靠近，有效距离小于3r，则原来两球间库仑力F>k，两球接触后，两球均带正电，电荷量均为Q，电荷因排斥远离，有效距离大于3r，所以接触后两球间的库仑力F′<k，即F′<F，B正确。 探究点三___静电力的叠加 C处的正点电荷所受静电力方向平行于AB向左，该正点电荷所受力的情况应如图所示，所以A带负电，B带正电。设A、C间的距离为L，则B、C间的距离为2L。FB sin 30°＝FA，即k·sin 30°＝，解得＝，B正确。 [练3] (2024·江西萍乡期末)图中边长为a的正三角形ABC的三个顶点分别固定三个点电荷＋q、＋q、－q，在该三角形中心O点处固定一电荷量为－2q的点电荷，则该电荷受到的电场力为(　　) A.，方向由O指向C B．，方向由C指向O C．，方向由C指向O D．，方向由O指向C O点是三角形的中心，O到A、B、C的距离均为r＝·a sin 60°＝a，A、B、C处三个点电荷对O点负电荷作用力大小均为FA＝FB＝FC＝＝，FA沿OA方向，FB沿OB方向，FC沿CO方向；根据平行四边形定则和几何知识可得，FA与FB的合力大小为FAB＝FA ＝FB＝，方向沿CO方向；则该负电荷受到的电场力大小为F＝FAB＋FC＝，方向由C指向O，B正确。 探究点四___解决实际问题 当火箭离地球较远时，火箭的大小相对于火箭与地球之间的距离可忽略不计，电荷在火箭上的分布情况对研究火箭与地球间静电力的作用可忽略不计，此时火箭可看成点电荷，B正确。 [练5] (探究情境)如图所示的仪器叫作库仑扭秤，是法国物理学家库仑精心设计的，用来研究静电力的规律，下列说法正确的是(　　) A．在实验过程中使A、C球带等量异种电荷 B．装置中A、C为带电金属球，B为不带电的平衡小球 C.库仑通过该实验计算出了静电力常量k的值 D．本实验中必须准确测出每一个带电小球的电荷量 实验过程中先让A球带电，然后与C接触，二者带等量同种电荷，A错误，B正确；静电力常量是一个无误差常数，既不是库仑通过扭秤测出来的，也不是后人通过库仑扭秤测出来的，而是通过麦克斯韦的相关理论算出来的，C错误；在库仑那个时代没有电荷量的单位，不可能准确测出每一个带电小球的电荷量，该实验测量库仑力的方法是：A球和C球带同种电荷，它们之间的斥力将使T形架水平杆转过一个角度，向相反方向扭转旋转，使T形架水平杆回到原来的位置，并保持静止， 这时金属丝弹力的力矩与静电斥力的力矩平衡，从旋钮转过的角度就可以计算出电荷间的作用力的大小，测量旋钮转过的角度，然后根据角度计算出电荷间的作用力的大小，不是直接测量库仑力的大小，D错误。 当带电体间的距离比它们自身的大小大得多，以致带电体的形状、大小及电荷分布状况对它们作用力的影响可以忽略时，这样的带电体就可以看成点电荷，A、C、D错误，B正确。 2．(多选)(2024·宁夏石嘴山期末)关于对库仑定律的理解和应用，以下说法正确的是(　　) A．库仑定律适用于真空中静止点电荷间的电场力计算 B．根据F＝k知，当两个带电体相距很近时，它们之间的库仑力会无穷大 C．两个电荷量分别为q1和q2的带电金属球，它们球心间的距离为r，则二者带同种电荷时，它们之间的库仑力F>k，带异种电荷时F<k D．两个电荷量分别为q1和q2的带电金属球，它们球心间的距离为r，则二者带同种电荷时，它们之间的库仑力F<k，带异种电荷时F>k 库仑定律适用于真空中静止点电荷间的电场力计算，A正确；当两个带电体相距很近时，两个带电体不能看成点电荷，则F＝k不适用，B错误；两个电荷量分别为q1和q2的带电金属球，它们球心间的距离为r，则二者带同种电荷时，它们之间的库仑力为排斥力，则带电中心的距离比r大，故F<k，若带异种电荷，它们之间的库仑力为吸引力，则带电中心的距离比r小，故F>k，C错误，D正确。 3．(多选)两个半径、材料完全相同的金属小球，所带电荷量之比为1∶7，间距为r，把两球相互接触后再放回原来的位置上，则相互作用力可能为原来的(　　) A． B． C． D． 设两个小球带电荷量分别为Q、7Q，则F＝＝。若带同种电荷，将两带电小球接触后分开，放回原来的位置上，相互作用力变为F1＝＝F，D正确；若带异种电荷，将两带电小球接触后分开，放回原来的位置上，相互作用力变为F2＝＝F，C正确。 4．(2024·湖北黄冈期中)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均加倍，它们之间的距离增大到原来的2倍 B．保持两个点电荷的电荷量不变，使它们之间的距离增大到原来的倍 C．保持两个点电荷的电荷量不变，使它们之间的距离减小为原来的 D．使其中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，同时使它们之间的距离减小为原来的 要使真空中的两个点电荷间的库仑力增大到原来的4倍，根据库仑定律可得F＝k。每个点电荷的电荷量均加倍，它们之间的距离增大到原来的2倍，则库仑力保持不变，A错误；保持两个点电荷的电荷量不变，使它们之间的距离增大到原来的倍，则库仑力减小到原来的，B错误；保持两个点电荷的电荷量不变，使它们之间的距离减小为 原来的，则库仑力增大到原来的4倍，C正确；使其中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，同时使它们之间的距离减小为原来的，则库仑力增大到原来的8倍，D错误。 5．如图所示，真空中两个完全相同的绝缘带电金属小球A、B(均可看作点电荷)，分别带有－Q和＋Q的电荷量，两球间静电力为F。现用一个不带电的同样的金属小球C先与A接触，再与B接触，然后移开C，接着再使A、B间距离增大为原来的2倍，则它们间的静电力大小为(　　) A．F B．F C．F D．F A．F B．F C．F D．F 根据库仑定律知：F＝＝，用不带电的小球C与A接触，则A、C的电荷量为QA＝QC＝－Q，C与B再接触，则B的电荷量为QB＝＋Q，根据库仑定律知此时静电力大小：F′＝k＝k＝F，C正确，A、B、D错误。 $$