人教版物理選修1-1配套講義第一章1第一節(jié)電荷庫侖定律Word版含答案

第一節(jié)電荷庫侖定律1.了解自然界中有正負兩種電荷，知道起電的三種方式．2.知道電荷守恒定律，了解元電荷、點電荷的概念．(重點)3．了解庫侖定律的含義及其表達式、適用條件，并會用庫侖定律進行有關(guān)計算．(重點＋難點)一、接引雷電下九天1752年6月富蘭克林在美國費城進行了著名的風(fēng)箏實驗，證明了閃電是一種放電現(xiàn)象，和地上的電是一樣的，統(tǒng)一了天電和地電，使人類擺脫了對雷電現(xiàn)象的迷信．二、電荷1．兩種電荷：自然界存在兩種電荷：正電荷和負電荷，用絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電荷，用毛皮摩擦過的硬橡膠棒帶負電荷．2．電荷間的相互作用：同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引．3．電荷量：電荷的多少叫電荷量，用Q或q表示，在國際單位制中，單位為庫侖，符號為C．通常，正電荷量用正數(shù)表示，負電荷量用負數(shù)表示．4．摩擦起電：摩擦起電的實質(zhì)是電子從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體上，失去電子的物體帶正電，得到電子的物體帶負電．5．感應(yīng)起電：把電荷移近不帶電的導(dǎo)體，可以使導(dǎo)體帶電的現(xiàn)象，叫做感應(yīng)起電．1．在感應(yīng)起電的過程中，為什么要求必須是導(dǎo)體，而且要先把導(dǎo)體的遠、近兩端分開，再移走帶電體？提示：只有導(dǎo)體中才存在大量的自由電荷，在外界電荷的作用下發(fā)生分離，近端因吸引出現(xiàn)異種電荷，遠端因排斥出現(xiàn)同種等量的電荷，如果先移走帶電體，外界的影響消除后近端和遠端的電荷由于相互吸引而恢復(fù)電中性狀態(tài)無法感應(yīng)起電．三、電荷守恒1．內(nèi)容：電荷既不能創(chuàng)生，也不能消滅，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，在轉(zhuǎn)移的過程中，電荷的總量不變．2．元電荷：最小的電荷量是電子所帶的電荷量，質(zhì)子、正電子帶有跟電子等量的異種電荷．這個最小的電荷用e表示，e＝1.60×10－19C，任何帶電體的電荷量都等于e或者是e的整數(shù)倍，因此電荷量e叫做元電荷．2.制作兩塊裝有玻璃柄的相同玻璃圓板，其中一塊貼上絲綢，如圖所示，將兩塊圓板相互摩擦，然后分開．當(dāng)它們分別接近輕小物體時，輕小物體均被吸引，這說明它們都帶上了電荷．如果把兩塊帶電圓板緊密接觸，然后合在一起去靠近輕小物體，這時輕小物體能否被吸引？這說明了什么？提示：兩塊圓板相互摩擦，分開后分別帶上了等量異種電荷，再次合在一起，正負電荷中和，整體不顯電性，對輕小物體沒有吸引力．四、庫侖定律1．點電荷：如果帶電體間的距離比它們自身線度的大小大得多，以至帶電體的形狀和大小對相互作用力的影響可以忽略不計，可看做點電荷，它是理想化模型．2．內(nèi)容：真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力，跟它們電荷量的乘積成正比，跟它們距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上．3．表達式：F＝keq\f(Q1Q2,r2)．靜電力常量k＝9.0×109__N·m2/C2．4．適用條件：真空中的點電荷．3．在理解庫侖定律時，根據(jù)公式F＝keq\f(Q1Q2,r2)，推導(dǎo)出當(dāng)r→0時，F(xiàn)→∞的結(jié)論是否正確？提示：不正確．從數(shù)學(xué)角度分析當(dāng)r→0時，F(xiàn)→∞的結(jié)論是正確的，但從物理角度分析當(dāng)r→0時，兩電荷已失去了作為點電荷的前提條件，何況實際電荷都有一定大小，根本不會出現(xiàn)r＝0的情況．三種起電方式的理解[學(xué)生用書P2]方式內(nèi)容摩擦起電感應(yīng)起電接觸起電產(chǎn)生條件兩種不同絕緣體摩擦?xí)r導(dǎo)體靠近帶電體時導(dǎo)體和帶電體接觸時現(xiàn)象兩物體帶上等量異種電荷導(dǎo)體兩端出現(xiàn)等量異種電荷，且電性與原帶電體“近異遠同”導(dǎo)體上帶上與帶電體相同電性的電荷原因不同物質(zhì)的原子核對核外電子的束縛能力不同而發(fā)生的電子的得失導(dǎo)體中的自由電子受到帶電體正(負)電荷的吸引(排斥)而靠近(遠離)電荷之間的相互排斥實質(zhì)都是電荷在物體之間或物體內(nèi)部的轉(zhuǎn)移(1)感應(yīng)起電成功的關(guān)鍵在于先分開兩物體(或先斷開接地線)然后再移走帶電物體．(2)兩個完全相同的金屬球，如果帶同種電荷，接觸后總電荷量平分，如果帶異種電荷，先中和后平分，分開時兩金屬球帶等量的同種電荷．命題視角1對摩擦起電的理解(多選)關(guān)于摩擦起電現(xiàn)象，下列說法正確的是()A．摩擦起電現(xiàn)象使本來沒有電子和質(zhì)子的物體產(chǎn)生了電子和質(zhì)子B．兩種不同材料的絕緣體相互摩擦后，同時帶上等量異號電荷C．摩擦起電可能是因為摩擦導(dǎo)致質(zhì)子從一個物體轉(zhuǎn)移到了另一個物體而造成的D．絲綢摩擦玻璃棒時，電子從玻璃棒上轉(zhuǎn)移到絲綢上，玻璃棒因質(zhì)子數(shù)多于電子數(shù)而顯正電[解析]摩擦起電的實質(zhì)是由于兩個物體的原子核對核外電子的束縛能力不相同，因而電子可以在物體間轉(zhuǎn)移．若一個物體失去電子，其質(zhì)子數(shù)就會比電子數(shù)多，我們說它帶正電；若一個物體得到電子，其質(zhì)子數(shù)就會比電子數(shù)少，我們說它帶負電．[答案]BD命題視角2對感應(yīng)起電的理解如圖所示的是一個帶正電的驗電器，當(dāng)一個金屬球A靠近驗電器上的金屬小球B時，驗電器中的金屬箔片先閉合后張開，說明金屬球A帶的是()A．正電荷B．負電荷C．可以是正電荷也可以是負電荷D．先帶正電荷，后帶負電荷[審題指導(dǎo)]解答本題應(yīng)從以下兩點思考：(1)影響金屬箔片張角變化的因素；(2)正負電荷間的相互作用力對電荷移動的影響．[解析]金屬箔片開始帶正電，當(dāng)帶電金屬球A靠近驗電器時，金屬箔片先閉合后張開，說明金屬箔片所帶的正電荷被吸引而轉(zhuǎn)移，而使金屬箔片帶上負電荷，所以又會張開，由此判斷金屬球A帶負電荷．[答案]B命題視角3對接觸起電的應(yīng)用兩個完全一樣的金屬小球M、N，先讓它們各自帶電＋5q和＋7q，接觸后再分開，則最終M、N的帶電量分別是()A．＋6q，＋6q B．＋7q，＋5qC．＋12q，＋12q D．＋q，＋q[答案]A如圖所示，絕緣細線上端固定，下端懸掛一個輕質(zhì)小球a，a的表面鍍有鋁膜．在a的近旁有一絕緣金屬球b，開始時，a、b都不帶電，現(xiàn)使a、b分別帶正、負電，則()A．b將吸引a，吸引后不放開B．b先吸引a，接觸后又與a分開C．a(chǎn)、b之間不發(fā)生相互作用D．b立刻把a排斥開解析：選B.因a帶正電，b帶負電，異種電荷相互吸引，輕質(zhì)小球a將向b靠攏并與b接觸．若a、b原來所帶電荷量不相等，則當(dāng)a與b接觸后，兩球先中和一部分原來的電荷，然后將剩余的電荷重新分配，這樣就會帶上同種電荷(正電或負電)，由于同種電荷相互排斥，兩球?qū)慌懦忾_．若a、b原來所帶電荷量相等，則a、b接觸后完全中和而都不帶電，a、b自由分開．對庫侖定律的進一步理解[學(xué)生用書P3]1．庫侖定律的理解和應(yīng)用(1)庫侖定律的適用條件：①真空，②點電荷．庫侖定律嚴格適用于真空中兩個點電荷的相互作用，但這兩個條件都是理想化的，在空氣中近似成立；對于兩個帶電均勻的球體，r應(yīng)取兩球體的球心距．(2)靜電力常量：只有庫侖定律公式中各個物理量都采用國際單位時，k的值才是9.0×109N·m2/C2.(3)庫侖力的計算：大小計算和方向判斷分別進行．即用公式計算庫侖力的大小時，不必將電荷Q1、Q2的正負號代入公式中，只將電荷量的絕對值代入公式計算出力的大小，力的方向根據(jù)同種電荷相斥，異種電荷相吸加以判斷即可．2．庫侖定律與萬有引力定律的比較萬有引力定律庫侖定律不同點適用條件兩質(zhì)點間兩點電荷間力的性質(zhì)只有引力引力或斥力產(chǎn)生原因物體有質(zhì)量物體帶電相同點都是非接觸力(場力)公式形式相似，萬有引力定律公式為F＝Geq\f(m1m2,r2)，庫侖定律公式為F＝keq\f(Q1Q2,r2)，都與距離的二次方成反比，與質(zhì)量或電荷量的乘積成正比力的方向均在相互作用的物體連線上(1)庫侖定律和萬有引力定律適用條件不同，萬有引力定律適用時，庫侖定律不一定適用．(2)在研究微觀粒子的受力時，萬有引力很小，可以忽略不計，在研究天體的相互作用時靜電力同樣可以忽略不計．命題視角1對庫侖定律應(yīng)用條件的考查關(guān)于庫侖定律，下列說法正確的是()A．庫侖定律適用于點電荷，點電荷其實就是體積最小的帶電體B．根據(jù)F＝keq\f(q1q2,r2)，當(dāng)兩個帶電體間的距離趨近于零時，庫侖力將趨向無窮大C．帶電量分別為Q和3Q的點電荷A、B相互作用時，B受到的靜電力是A受到的靜電力的3倍D．庫侖定律的適用條件是：真空和靜止點電荷[思路點撥]只有對真空中點電荷間的作用力，庫侖定律才成立．[解析]如果在研究的問題中，帶電體的形狀、大小以及電荷分布可以忽略不計，即可將它看做是一個幾何點，則這樣的帶電體就是點電荷，故A錯誤．兩個帶電體間的距離趨近于零時，帶電體已經(jīng)不能看成點電荷了，F(xiàn)＝keq\f(q1q2,r2)已經(jīng)不能適用，故B錯誤．根據(jù)牛頓第三定律得：B受到的靜電力和A受到的靜電力大小相等，故C錯誤．庫侖定律的適用條件是：真空和靜止點電荷，故D正確．[答案]D命題視角2庫侖定律公式的應(yīng)用兩個分別帶有電荷量－Q和＋3Q的相同金屬小球(均可視為點電荷)，固定在相距為r的兩處，它們間庫侖力的大小為F.兩小球相互接觸后將其固定距離變?yōu)閑q\f(r,2)，則兩球間庫侖力的大小為()A．eq\f(1,12)F B．eq\f(3,4)FC．eq\f(4,3)F D．12F[思路點撥]兩球接觸后電荷先中和后平分．[解析]因為相同的兩帶電金屬小球接觸后，它們的電荷量先中和后均分，所以接觸后兩小球帶電荷量均為Q′＝eq\f(－Q＋3Q,2)＝Q，由庫侖定律得：接觸前F＝keq\f(3Q2,r2)，接觸后F′＝keq\f(Q′2,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(r,2)))\s\up12(2))＝keq\f(4Q2,r2)，聯(lián)立得F′＝eq\f(4,3)F，故選C.[答案]Ceq\a\vs4\al()利用庫侖定律計算庫侖力的技巧(1)能否應(yīng)用庫侖定律的關(guān)鍵是看帶電體是否能看成點電荷，是否滿足庫侖定律的條件．(2)計算庫侖力的大小時，只代入Q1、Q2的大小，不代入正負號，當(dāng)帶電體是均勻帶電球體時，r應(yīng)為球心距．(3)判斷庫侖力方向的關(guān)鍵是判斷兩帶電體的電性，庫侖力一定作用在兩者連線上，同種電荷間相互排斥，異種電荷間相互吸引．【通關(guān)練習(xí)】1．真空中有兩個靜止的點電荷，它們之間的作用力為F，若它們的帶電量都增大為原來的2倍，距離減小為原來的1/2，它們之間的相互作用力變?yōu)?)A．F/2 B．FC．4F D．16F解析：選D.根據(jù)庫侖定律公式，可知當(dāng)電量都增加2倍，距離減小為原來的1/2時，庫侖力變?yōu)樵瓉淼?6倍，選項A、B、C錯誤，D正確．2．如圖所示，兩個質(zhì)量均為m的完全相同的金屬球殼a與b，其殼層的厚度和質(zhì)量分布均勻，將它們固定于絕緣支架上，兩球心間的距離為L，為球殼外半徑r的3倍．若使它們帶上等量異種電荷，使其所帶電荷量的絕對值均為Q，那么a、b兩球之間的萬有引力F1與庫侖力F2為()A．F1＝Geq\f(m2,L2)，F(xiàn)2＝keq\f(Q2,L2) B．F1≠Geq\f(m2,L2)，F(xiàn)2≠keq\f(Q2,L2)C．F1≠Geq\f(m2,L2)，F(xiàn)2＝keq\f(Q2,L2) D．F1＝Geq\f(m2,L2)，F(xiàn)2≠keq\f(Q2,L2)解析：選D.雖然兩球心間的距離L只有其外半徑r的3倍，但由于其殼層的厚度和質(zhì)量分布均勻，兩球殼可看做質(zhì)量集中于球心的質(zhì)點，因此，可以應(yīng)用萬有引力定律；而本題中由于a、b兩球殼所帶異種電荷相互吸引，使它們各自的電荷分布不均勻，即相互靠近的一側(cè)電荷分布比較密集，又因兩球心間的距離L只有其外半徑r的3倍，不滿足L遠大于r的要求，故不能將兩帶電球殼看成點電荷，所以不能應(yīng)用庫侖定律，D正確．[隨堂檢測][學(xué)生用書P4]1．下列敘述正確的是()A．摩擦起電是創(chuàng)造電荷的過程B．接觸起電是電荷轉(zhuǎn)移的過程C．玻璃棒無論和什么物體摩擦都會帶正電D．帶等量異號電荷的兩個導(dǎo)體接觸后，電荷會消失，這種現(xiàn)象叫電荷的湮滅解析：選B.摩擦起電是電子轉(zhuǎn)移的過程，不會創(chuàng)造電荷，A錯誤；接觸起電是電荷在不同導(dǎo)體間轉(zhuǎn)移的過程，B正確；玻璃棒與其他物體摩擦后可能帶正電，也可能帶負電，C錯誤；帶等量異號電荷的兩個導(dǎo)體接觸后，電荷會在導(dǎo)體間重新分配，整個導(dǎo)體顯示中性，這種現(xiàn)象叫電荷的中和，D錯誤．2．(多選)當(dāng)把用絲綢摩擦過的玻璃棒去靠近驗電器的金屬球后，金屬箔片張開．此時，金屬箔片所帶的電荷的帶電性質(zhì)和起電方式是()A．正電荷 B．負電荷C．感應(yīng)起電 D．摩擦起電解析：選AC.玻璃棒沒有接觸到金屬球，屬于感應(yīng)起電，和玻璃棒靠近的一端(金屬球)帶電性質(zhì)和玻璃棒相反，帶負電，和玻璃棒相距較遠的一端(金屬箔片)帶電性質(zhì)和玻璃棒相同，帶正電荷．3．關(guān)于點電荷的概念，下列說法正確的是()A．當(dāng)兩個帶電體的形狀對它們之間相互作用力的影響可忽略時，這兩個帶電體可看做點電荷B．只有體積很小的帶電體才能看做點電荷C．體積很大的帶電體一定不能看做點電荷D．對于任何帶電球體，總可以把它看做電荷全部集中在球心的點電荷解析：選A.電荷的形狀、體積和電荷量對分析的問題的影響可以忽略時，就可以看成是點電荷，所以A對，B、C錯誤；當(dāng)帶電體之間的距離不是很大時，帶電球體就不能看做電荷全部集中在球心的點電荷，因為此時帶電體之間的作用力會影響電荷的分布，所以D錯誤．4．真空中兩個點電荷相距r時，靜電力為F；如果保持它們的電荷量不變，而將距離增大為2r時，則靜電力將變?yōu)?)A．eq\f(F,4) B．eq\f(F,2)C．F D．2F解析：選A.由庫侖定律公式可知，兩點電荷間的靜電力與距離的平方成反比，當(dāng)距離變?yōu)樵瓉淼?倍時，靜電力變?yōu)樵瓉淼膃q\f(1,4)，故選項A正確．[課時作業(yè)][學(xué)生用書P69(單獨成冊)]一、單項選擇題1.在如圖中該同學(xué)的帶電方式屬于()A．接觸起電B．感應(yīng)起電C．摩擦起電D．以上說法都不正確解析：選A.題圖中的同學(xué)是通過用手接觸帶電體而使自己帶電的，故屬于接觸起電，選項A正確，B、C、D錯誤．2．蜜蜂飛行時與空氣摩擦產(chǎn)生靜電，從而可以吸引帶正電的花粉，這是因為()A．蜜蜂身上的一些電子轉(zhuǎn)移到空氣中B．蜜蜂身上的一些正電荷轉(zhuǎn)移到空氣中C．空氣中的一些電子轉(zhuǎn)移到蜜蜂身上D．空氣中的一些正電荷轉(zhuǎn)移到蜜蜂身上解析：選C.蜜蜂因帶電吸引帶正電的花粉，說明蜜蜂帶負電，因此應(yīng)在與空氣摩擦的過程中得到電子，所以C項正確．3．使帶電的金屬球靠近不帶電的驗電器，驗電器的箔片張開．下列各圖表示驗電器上感應(yīng)電荷的分布情況，正確的是()解析：選B.使帶電的金屬球靠近不帶電的驗電器，驗電器發(fā)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象，若金屬球帶正電，靠近驗電器，驗電器上的小球帶負電，下端金屬箔帶等量的正電，金屬箔張開，選項A、C均錯誤；若金屬球帶負電，驗電器上的小球帶正電，下端金屬箔帶等量的負電，金屬箔張開，選項B正確，選項D錯誤．4．關(guān)于摩擦起電和感應(yīng)起電的原因，下列說法正確的是()A．摩擦起電的原因是電荷的轉(zhuǎn)移，感應(yīng)起電的原因是產(chǎn)生電荷B．摩擦起電的原因是產(chǎn)生電荷，感應(yīng)起電的原因是電荷的轉(zhuǎn)移C．摩擦起電和感應(yīng)起電的原因都是電荷的轉(zhuǎn)移D．摩擦起電和感應(yīng)起電的原因都是產(chǎn)生電荷解析：選C.無論是摩擦起電，還是感應(yīng)起電，其原因都是自由電荷在不同物體間或同一物體上的不同部位間的轉(zhuǎn)移，C對，A、B、D錯．5．兩個點電荷放在真空中保持一定距離，若其中一個點電荷的電荷量增加了1倍，但仍然保持它們之間的相互作用力不變，則另一個電荷的電荷量減少了()A．eq\f(1,5) B．eq\f(1,4)C．eq\f(1,3) D．eq\f(1,2)解析：選D.兩個點電荷間的距離不變，其中一個電荷量增加了1倍，則電荷量變?yōu)樵瓉淼?倍，根據(jù)庫侖定律的數(shù)學(xué)表達式F＝keq\f(Q1Q2,r2)可知，若保持相互作用力不變，則應(yīng)讓另一個電荷的電荷量變?yōu)樵瓉淼膃q\f(1,2)，即減少了eq\f(1,2)，所以選項D正確．6．帶電微粒所帶的電荷量不可能是下列值中的()A．2.4×10－19C B．－6.4×10－19CC．－1.6×10－18C D．4.0×10－17C解析：選A.任何帶電體的電荷量都只能是元電荷電荷量的整數(shù)倍，元電荷電荷量為e＝1.6×10－19C．選項A中電荷量為元電荷的3/2倍，B中電荷量為元電荷的4倍，C中電荷量為元電荷的10倍，D中電荷量為元電荷的250倍．也就是說B、C、D選項中的電荷量數(shù)值均是元電荷的整數(shù)倍．所以只有選項A是不可能的．7.如圖所示，三個完全相同的金屬小球a、b、c位于等邊三角形的三個頂點上．a(chǎn)和c帶正電，b帶負電，a所帶電荷量的大小比b的?。阎猚受到a和b的靜電力的合力可用圖中四條有向線段中的一條來表示，它應(yīng)是()A．F1 B．F2C．F3 D．F4解析：選B.據(jù)“同電性相斥，異電性相吸”規(guī)律，確定小球c受到a和b的庫侖力Fac、Fbc的方向，若Fbc＝Fac，則兩力的合力沿水平方向，考慮到a的帶電荷量小于b的帶電荷量，故Fbc大于Fac(如圖所示)，F(xiàn)bc與Fac的合力只能為F2.故選B.二、多項選擇題8．關(guān)于庫侖定律，下列說法正確的是()A．對任何帶電體之間的靜電力計算，都可以使用公式B．只要是點電荷之間的靜電力計算，就可以使用公式C．只有真空中的點電荷間的相互作用力才可以使用公式D．兩個點電荷之間的靜電力，無論是在真空中還是在介質(zhì)中，一定是大小相等、方向相反解析：選CD.庫侖定律的適用條件是真空、點電荷，故A、B錯，C對；電荷間的靜電力是作用力和反作用力，因此總是等大反向的，選項D正確．9．一帶負電絕緣金屬小球放在潮濕的空氣中，經(jīng)過一段時間后，發(fā)現(xiàn)該小球呈電中性，這說明()A．小球上原有的負電荷逐漸消失了B．此現(xiàn)象說明電荷是不守恒的C．小球