3.电场 电场强度（培优教学课件）物理人教版2019必修第三册

第九章 静电场及其应用 必修第三册•人教版 第3节 电场 电场强度 同学们，今天开启必修第三册第九章第三节“电场 电场强度”的学习。 在这里，你将探寻电荷间相互作用的媒介本质，理解电场强度的定义与矢量特性，掌握点电荷电场的计算方法，认识电场线模型的直观描述价值。 让我们一同走进电场的物质世界，通过类比重力场的研究思路，结合模型建构与规律推导，揭开电场力性质的描述法则，为深入电磁学领域搭建关键桥梁！ 导入新课 看下面的视频 思考1：弹力、摩擦力都是因为物体相互接触而产生的，那么电荷间没有接触，它们的相互作用力是因为什么而产生的？ 通过起电机使人体带电，人的头发会竖起散开。为什么会出现这样的现象？你会解释产生这一现象的原因吗？ 导入新课 初中时学过磁体间的相互作用是因为磁体周围有磁场的存在，那么类比磁场的概念，电荷的周围是否存在一个电场呢？ “同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引”，那么电荷之间的这种相互作用力是如何实现的呢？ XXX 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度 与责任 1.理解电场是特殊物质，明确电荷间作用通过电场传递； 2.掌握场强定义、矢量性及单位。 1.用比值定义法理解场强，区分定义式与决定式； 2.运用模型与叠加原理分析简单合场强。 1.设计实验观察电场或探究场强影响因素； 2.分析实验数据，用图示表达合场强。 1.了解 “场” 概念发展，体会科学进步； 2.结合实例认识场强应用，联系实际。 学习目标 重点难点 重点 难点 1.电场的物质性及电荷间作用的传递本质； 2.场强的比值定义及矢量性； 3.点电荷场强公式与矢量叠加原理； 4.电场线反映场强的疏密（大小）与方向。 1.理解电场的特殊物质性； 2.把握场强与试探电荷无关的本质（比值定义核心）； 3.场强矢量叠加的方向运算； 4.辨析场强定义式与点电荷场强决定式的适用范围。 1. 电场 2. 电场强度 3. 点电荷的电场 电场强度的叠加 4. 电场线 5. 匀强电场 6. 课堂总结 7. 练习与应用 8. 提升训练 学习内容 一、电场 第3节 电场 电场强度 一、电场 + + G T F 问题1.电荷间如何实现相互作用 思考2：电荷之间没有接触，相互作用是怎样发生的？ 一、电场 电荷间的相互作用是一种“超距作用”，可以跨越空间 安培 法拉第 电荷间的相互作用是通过一种媒介发生的，这种媒介为电场，它对放入的电荷产生力的作用。。 一、电场 A产生的电场 A B FBA FAB B产生的电场 FAB B FBA A 电荷之间通过电场相互作用 一、电场 电场是看不见、摸不着的，是电荷周围客观存在的一种特殊物质。 场像分子、原子等实物粒 子一样具有能量，因而场也是物质存在的一种形式。只有在研究运动的电荷，特别是运动状态迅速变化的电荷时，上述场的物质性才突显出来。本章只讨论静止电荷产生的电场。 FAB B FBA A 一、电场 一、电场 一、电场 一、电场 1．电场的产生：电荷的周围存在着由它产生的电场，电场是电荷周围存在的一种特殊物质，看不见摸不着。 2．基本性质：对放入其中的电荷产生力的作用，即静电力。 B电荷 A电荷 电场 3．电荷间的相互作用：电荷之间是通过电场发生相互作用的。 4．静电场:静止电荷产生的电场。 一、电场 （2）电场以及磁场已被证明是一种客观存在。场具有能量，也是物质存在的一种形式。 5.说明： （1）只要是带电体，周围都能产生电场。电场对于电荷的作用实际是电场与电场的相互作用。 电场对电荷有力的作用，怎样描述这种作用呢？ 将电荷放入电场中，从电荷所受的静电力入手 一、电场 B Q F 场源电荷(源电荷) 试探电荷(检验电荷) 1.试探电荷 为研究源电荷电场的性质而引入的电荷量和体积都很小的点电荷。 （试探电荷的引入不改变源电荷的电场。） 2.场源电荷 激发电场的带电体所带的电荷叫场源电荷，或源电荷。 【例题1】下列关于电场的说法不正确的是（　　） A．电场并不存在，是人们想象出来的 B．电场是一种客观存在的物质 C．电荷之间通过电场相互作用 D．电场的基本特性是对放入其中的电荷有力的作用 A 一、电场 【解析】电场是一种客观存在的物质，不是人们想象出来的，故A错误，B正确；电荷之间通过电场相互作用，故C正确；电场的基本特性是对放入其中的电荷有力的作用，故D正确。本题选不正确的，故选A。 【答案】A 二、电场强度 第3节 电场 电场强度 二、电场强度 思考3：在空间中放一个点电荷+Q，它周围有电场吗？ +Q + q是用来检验电场的电荷——检验电荷或试探电荷 对检验电荷的要求： 电量足够小：对场源电荷的分布不产生明显影响，不改变原电场 体积足够小：可以精确检测电场各位置 Q是被检验的电荷——场源电荷或源电荷 + q 电场看不见摸不着，你怎样检验电场是否存在？ 二、电场强度 思考4：电场有强弱，电场的强弱能否用静电力来表示？ +Q A +q +q2 +q3 F1 F2 F3 不能，原因：同一位置，电场的强弱应该是不变的，而F随试探电荷的改变而改变,所以静电力不能表示电场的强弱。 观察一下，下图中什么量不随试探电荷的改变而改变？ 二、电场强度 思考5：怎样描述电场的强弱？ 研究方法：在点电荷＋Q产生的电场中A、B两点分别放入电荷q1、q2、q3，则它们分别受电场力为： A ＋Q ＋q ＋q B 物理量 电荷量 q1 q2 q3 FA FB k k k k k k 得出：F与q的比值与试探电荷无关，与场源电荷以及位置有关。 二、电场强度 实验表明： 1.电场中的同一点，不同电荷所受力不同，比值F/q是一定的。 2.电场中不同的点，同一电荷所受力也不同，比值F/q一般是不同的。 结论:F/q能反映电场中某位置电场的强弱----电场强度 不随试探电荷的改变而改变。  数值上等于单位电荷量受到的库仑力 能表示电场的强弱 二、电场强度 二、电场强度 1.定义：放入电场中某点的试探电荷所受的电场力F与它的电荷量q的比值。 2.定义式： (比值定义法) E与F成正比，与q成反比？ 3.单位：牛每库，符号N/C 适用于任何电场 二、电场强度 5.物理意义：反映电场强弱的物理量，某点的电场强度数值上等于单位正电荷在该点所受的电场力。 4.方向： 电场强度是矢量，电场中某点的电场强度的方向与正电荷在该点所受的静电力的方向相同，与负电荷在该点所受的静电力方向相反。 二、电场强度 对电场强度的理解： （1）某点的电场强度的大小及方向取决于电场本身（即场源电荷与位置），与检验电荷的正负、电量的大小、有无及受到的电场力均无关。 （2）E=F/q 为定义式，适用于一切电场。 （3）电场力: F=Eq (4)唯一性：电场中某点的电场强度E是唯一的，是由电场本身的特性(形成电场的电荷及空间位置)决定的，与是否放入试探电荷、放入电荷的电性、电荷量的多少均无关。电场中不同的地方，电场强度一般是不同的。 【例题2】为测电场中a点的场强，现在a点放上一电荷量为+q的试探电荷，受到的静电力大小为F，方向水平向左，求得a点的场强大小为E0；若在a点换上另一电荷量为-2q的试探电荷，求得a点的场强（　　） A．大小为E0，方向水平向右 B．大小为2E0，方向水平向左 C．大小为E0，方向水平向左 D．大小为2E0，方向水平向右 C 二、电场强度 【解析】 根据电场强度的定义式有 ，由于电场强度由电场自身决定，与试探电荷无关，可知，更换为后-2q，场强大小仍为E0，方向不变，即a点的场强大小为E0，方向水平向左，故C正确。 故选C。 二、电场强度 三、点电荷的电场 电场强度的叠加 第3节 电场 电场强度 三、点电荷的电场 电场强度的叠加 思考6： 一个带正电的点电荷的电荷量为Q，在距此点电荷r处的A点的电场强度是多少？方向如何？ +Q + A 设想在A点放一个电荷量为+q的试探电荷， 方向：沿二者连线向外 则它所受到的电场力为： +Q在该点产生的场强为： 方向：沿二者连线向外 三、点电荷的电场 电场强度的叠加 三、点电荷的电场 Q—真空中点电荷的电量 r—某点到点电荷的距离 1.公式： 如果以Q为中心作一个球面，则球面上各点的电场强度大小相等。 三、点电荷的电场 电场强度的叠加 + - 2.场强方向：以点电荷Q为球心作个球面，球面各点的电场强度方向 负电荷电场方向沿半径向内 正电荷电场方向沿半径向外 三、点电荷的电场 电场强度的叠加 两个电场强度公式的比较 适用范围 式中电荷的意义 特别提醒 可以由 及 来推导，而E仅由电场本身因素决定，与F、q无关。 定义式，适用于一切电场 仅适用于点电荷在真空中的电场 q是试探电荷的电荷量，但E与q无关 Q是场源电荷的电荷量，E与Q成正比 三、点电荷的电场 电场强度的叠加 +Q -Q E1 E2 E 思考7：空间中存在多个场源电荷，如图，如何求电场中某点(如A点)的电场强度？ O A 结论：电场中某点的电场强度为各个点电荷单独在该点产生的电场强度的矢量和。 三、点电荷的电场 电场强度的叠加 电场强度的叠加 电场强度的叠加：电场中某点的电场强度为各个点电荷单独在该点产生的电场强度的矢量和。 + 1 Q 2 Q P 1 E 2 E 1 E 2 E + 1 Q 2 Q P E E 独立性：同一空间内各个场强对电荷的作用互不影响。 电场强度的运算遵循平行四边形定则 三、点电荷的电场 电场强度的叠加 思考8：若带电体比较大，不能看作点电荷？我们如何求带电体的电场？ 可以证明：半径为R的均匀带电球体（或球壳）在球外产生的电场，与一个位于球心的、电荷量相等的点电荷产生的电场相等。 【例题3】在电场中某点分别放上不同的试探电荷，关于该点的电场强度E、试探电荷带电量q、试探电荷所受电场力F，三者的关系图像正确的是（　　） 三、点电荷的电场 电场强度的叠加 C 【解析】 电场中某点的电场强度由电场本身决定，与试探电荷的电荷量q以及所受的电场力F无关，故AB错误；根据F=Eq可知场强一定，电场力与试探电荷的电量q成正比，故C正确，D错误。 故选C。 三、点电荷的电场 电场强度的叠加 三、点电荷的电场 电场强度的叠加 A 三、点电荷的电场 电场强度的叠加 【解析】 两个点电荷在点产生的电场强度的方向如图所示 ， 由题可知， 由于夹角为120°，由平行四边形定则可知C点电场强 度大小为 ，故选A。 故选A。 四、电场线 第3节 电场 电场强度 四、电场线 思考9：电场看不见，摸不着，有没有形象化描述的办法? 英国物理学家法拉第采用了一个简洁的方法来描述电场，那就是电场线。即在电场中画出一系列有方向的曲线，使曲线上每点的切线方向都跟该点的场强方向一致． 四、电场线 四、电场线 1.定义：电场线是用来形象地描述电场强弱与电场强度方向特性的一簇曲线。 （1）电场线上每点的切线方向表示该点的电场强度方向 （2）在同一幅图中，电场强度较大的地方电场线较密，电场强度较小的地方电场强线较疏，因此可以用电场线的疏密来表示电场强度的相对大小。 四、电场线 EA EB EC 四、电场线 几种常见电场中电场线的分布 (1)正负电荷的电场线 特点： 以点电荷为球心作个球面（空间的），电场线处处与球面垂直，在此球面上场强大小处处相等，方向不同。 离点电荷越近，电场线越密，场强越大 电场线起于正电荷或无穷远处，止于无穷远处或负电荷 四、电场线 点电荷的电场线模拟 四、电场线 几种常见电场中电场线的分布 （2）等量异种点电荷的电场线 特点： 水平方向O点场强最小 O点 A点 竖直方向O点场强最大 无穷远处场强最小为零 （1）沿着两个点电荷的连线，电场强度先变小，后变大 （2）从两点电荷连线中点 O 沿中垂面(中垂线)到无穷远处，电场强度逐渐减弱。 （3）连线或中垂面(中垂线)上关于 O 点对称的两点电场强度相同（等大、同向） B点 四、电场线 异种电荷的电场线模拟 四、电场线 几种常见电场中电场线的分布 （3）等量同种点电荷的电场线 没有画电场线的地方有电场 O点场强最小，为零 A点 B点 竖直方向场强先变大后变小，无穷远处为零 （1）两点电荷连线上各点的电场强度先变小后变大，中点 O 电场强度为零。 （2）从两点电荷连线中点 O 沿中垂线到无穷远处，电场强度先变大后变小。 （3）连线或中垂线上关于 O 点对称的两点电场强度等大、反向。 特点： 四、电场线 同种电荷的电场线模拟 四、电场线 其他电场线 不等量电荷 点电荷与导体 还有没有其它电场呢？它的分布又会有何特点？ 四、电场线 电场线的特点 （1）电场线总是从正电荷或无限远出发，终止于无限远或负电荷； （2）电场线在电场中不相交、不相切，不闭合； （3）在同一幅图中，电场强度较大的地方电场线较密，电场强度较小的地方电场 线较疏，可以用电场线的疏密程度来表示电场强度的相对大小。 （4）电场线并不是真实存在的，只是为了描述电场方便而假想的线 (5)电场线不是闭合曲线，且与带电粒子在电场中的运动轨迹之间没有 必然联系。 【例题5】静止电荷会在其周围产生静电场。为了形象地 描述电场，法拉第采用了画电场线的方法。如图是某一 电场的电场线，下列说法正确的是（    ） A．电场线可以形象地描述电场，所以电场线是实际存在的 B．图中A点的电场强度大于C点的电场强度 C．图中B点没有画电场线，所以B点的电场强度为零 D．将带正电的试探电荷从A点由静止释放，它将沿电场线运动到C点 B 四、电场线 【解析】 电场线是为了形象地描述电场人为引入的，电场线实际上不存在，故A错误；电场线的疏密程度能够表示电场的强弱，电场线越密集的位置电场强度越大，电场线越稀疏的地方，电场强度小，则图中A点的电场强度大于C点的电场强度，故B正确；电场线的疏密程度能够表示电场的强弱，图中B点位置虽然没有画电场线，但其所在空间区域的电场线分布仍然能够反映一定的疏密程度，可知，该点的电场强度不为0，故C错误；电场线弯曲，则电场力方向改变，将带正电的试探电荷从A点由静止释放，它不会沿电场线运动到C点，故D错误。 故选B。 四、电场线 五、匀强电场 第3节 电场 电场强度 五、匀强电场 1.定义：各点电场强度的大小相等、方向相同的电场。 2.匀强电场的电场线：间隔相等的平行直线。 实例：相距很近带有等量异种电荷的一对平行金属板间的电场(忽略边缘)可以看做匀强电场。 五、匀强电场 实验模拟 【例题6】下图是某四个电场中的电场线分布图，其中 A、B两点的电场强度相同的是（　　） A 五、匀强电场 【解析】 电场线疏密程度表示电场强度大小，电场线某点的切线方向表示该点的电场强度方向，电场强度是矢量，要相同，必须大小一样、方向一样，故A正确。 故选A。 五、匀强电场 六、课堂总结 第3节 电场 电场强度 六、课堂总结 单位 矢量 叠加 电场 强度 定义 性质 电场 电荷周围存在的特殊物质。 特 点 电场线 为了描述电场而假想的线。 七、练习与应用 第3节 电场 电场强度 1. 在静电场中有a、b两点，试探电荷在两点的静电力F与电荷量q满足如图所示的关系，请问a、b两点的场强大小 等于（　　） A．3∶1 B．9∶1 C．1∶3 D．1∶9 七、练习与应用 B 【解析】 设F−q图像的横坐标单位长度电荷量为q0，纵坐标单位长度的力大小为F0，根据 可知，F−q图像斜率表示电场强度，由图可知， 所以a、b两点的场强大小 ，故B正确。 故选B。 七、练习与应用 七、练习与应用 B 【解析】 A、B、C、D、E是半径为r的圆周上等间距的五个点，若在A点也放+q的点电荷，可知五个点电荷在O点产生的合电场强度是零，因此B、C、D、E四个点的点电荷在O点产生的合电场强度大小为 ，方向由O点指向A点，则A点处点电荷的电荷量为−q时，则五个点电荷在O点产生的合电场强度大小为 ，故B正确。 故选B。 七、练习与应用 3. 某静电除尘装置由带电的金属圆筒Q和带电的电极P组成，其横截面上的电场线分布及方向如图所示，A、B、M、N四点到P距离相等，下列说法正确的是（　　） A．A、B两点电场强度相同 B．C点的电场强度比B点大 C．金属圆筒Q带正电，电极P带负电 D．带正电的粉尘在M点和N点，所受电场力相同 C 七、练习与应用 【解析】 电场线分布的密集程度表示电场的强弱，根据图示可知，A点位置电场线分布比B点密集，则A点位置电场强度比B点位置电场强度大一些，由于电场强度方向沿电场线切线方向，可知，A、B两点电场强度方向相反，即A、B两点电场强度不相同，故A错误；由于C点位置电场线分布比B点稀疏，则C点的电场强度比B点小，故B错误；电场线起源于正电荷（或无穷远），终止于负电荷（或无穷远），根据图示可知，金属圆筒Q带正电，电极P带负电，故C正确；根据对称性可知，M点和N点大小相等，但电场强度方向不相同，可知，带正电的粉尘在M点和N点，所受电场力不相同，故D错误。 故选C。 七、练习与应用 八、提升训练 第3节 电场 电场强度 C 八、提升训练 【解析】 设小球带电荷量为q，根据几何关系可知题图中小球到A、B两点的距离为 ，根据库仑定律和共点力平衡，有 解得，故AB错误；两固定点电荷对P点的合场强为零，则P点的电场强度大小为 ，故C正确，D错误。 故选C。 八、提升训练 B 八、提升训练 【解析】 加匀强电场前，对小球A，由二力平衡则有 ，加上匀强电场后，对小球受力分析一定有的力重力、库仑力、电场力，可能存在线的拉力。先合成重力和库仑力，设二力合力为F'，如图所示，由平行四边形定则可知F'=mg，方向与竖直方向成60°，F'恒定 不变，由于细线给小球的拉力只能沿线收缩的方向 （指向左上方），则细线的拉力与F'的合力只会更 大，则要使电场力最小，即要使电场强度最小，细 线的拉力只能为零，此时 ，故B正确。 故选A。 八、提升训练