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2022年新課標魯科版3-1 選修三1.2《靜電力 庫倫定律》 WORD教案4

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1、2022年新課標魯科版3-1 選修三1.2《靜電力 庫倫定律》 WORD教案4 【教學目的】 (1)知道點電荷,體會科學研究中的理想模型方法。 (2)了解兩種電荷間的作用規(guī)律,掌握庫侖定律的內(nèi)容及其應用。 【教學重點】 掌握真空中點電荷間作用力大小的計算及方向的判定——庫侖定律 【教學難點】 真空中點電荷間作用力為一對相互作用力,遵從牛頓第三定律 【教學媒體】 1、 演示實驗:有機玻璃棒、絲綢、碎紙片、毛皮、橡膠棒、鋁箔包好的草球、表面光滑潔凈的絕緣導體、絕緣性好的絲線、絕緣性好的支架、鐵架臺。 2、 課件:庫侖扭秤實驗模擬動畫。 【教學安排】 【新課導入】 從上節(jié)課

2、我們學習到同種電荷相吸引,異種電荷相排斥,這種靜電荷之間的相互作用叫做靜電力。力有大小、方向和作用點三要素,我們今天就來具體學習一下靜電力的特點。 【新課內(nèi)容】 1. 靜電力的三要素的探究/點電荷模型 圖1 (1) 靜電力的作用點——作用在電荷上,如果電荷相對于物體不能自由移動,則所有電荷受力的合力就是帶電體的受力(可視為作用在物體的電荷中心上,怎么找電荷的中心呢?——如果形狀規(guī)則的物體所帶電荷又是均勻分布的話,電荷中心可看作在物體的幾何中心上。如:右圖1為一均勻帶電的環(huán)性物體,其電荷可看集中在圓心處) (2) 靜電力的方向——沿著兩電荷的連線。 (3) 靜電力的大?。姾葾對B與

3、B對A的力等大反向,與所帶電荷多少無關) i. 猜想:可能與哪些因素有關,說出猜測的理由?(與電荷所帶電量有關,電量越大,力越大,理由——放電導致電量減小后,驗電器的金箔張角減小說明斥力減??;也與電荷間的距離有關,帶電物體靠近時才能吸引輕小物體,離的遠時吸不起來) ii. 定性實驗: 如圖2,先把表面光滑潔凈的絕緣導體放在A處,然后把鋁箔包好的草球系在絲線下,分別用絲綢摩擦過的玻璃棒給導體和草球帶上正電,把草球先后掛在P1、P2、P3的位置,帶電小球受到A 的作用力的大小可以通過絲線對豎直方向的偏角大小顯示出來。觀察實驗發(fā)現(xiàn)帶電小球在P1、P2、P3 各點受到的A的作用力依次減??;再增大

4、絲線下端帶電小球的電量,觀察實驗發(fā)現(xiàn),在同一位置小球受到的A的作用力增大了。 教師總結(jié):該實驗說明了電荷之間的相互作用力大小與電量的大小、電荷間距離的大小有關,電量越大,距離越近,作用力就越大;反之電量越小,距離越遠,作用力就越小。作用力的方向,可用同種電荷相斥,異種電荷相吸的規(guī)律確定。教師補充說明,考慮到帶電體的受力是所帶電荷受力的合力的問題,這個靜電力大小其實還會與物體的體積、形狀、電荷分布有關。因此,我們今天只研究一個簡化的模型——點電荷。(回顧:質(zhì)點的概念,當物體的形狀與兩物體間的距離相比可以忽略的時候,可以忽略物體的形狀和大小,將物體看做質(zhì)點。) 板書:1、當帶電體的尺寸與它們之

5、間的距離相比可以忽略的時候,可以將帶電體看作點電荷。 什么是點電荷?簡而言之,帶電的質(zhì)點就是點電荷。點電荷的電量、位置可以準確地確定下來。正像質(zhì)點是理想的模型一樣,點電荷也是理想化模型。真正的點電荷是不存在的,但是,如果帶電體間的距離比它們的大小大得多,以致帶電體的形狀和大小對相互作用力的影響可以忽略不計時,這樣的帶電體就可以看成點電荷。均勻帶電球體或均勻帶電球殼也可看成一個處于該球球心,帶電量與該球相同的點電荷。 iii. 如何設計實驗來尋找關系式?(方法——控制變量) 先要保持帶電物體的電荷大小不變,改變其距離,探究靜電力與距離的關系,然后再保持兩物體間距不變,改變電量,探究靜電力與

6、電量大小的關系。 問題1——如何測量靜電力的大小?(可參考前面定性實驗的方法,將帶電體用細絲線吊起來,就可從偏角的大小和重力的大小計算出電場力的大小。) 問題2——如何改變電量?(可反復用與A完全相同的不帶電金屬球來接觸A,使A的電量不斷減為原來的1/2,1/4……。 iv. 庫侖扭秤實驗:(參考人教社的課本內(nèi)容) 我國東漢時期就發(fā)現(xiàn)了電荷,并已定性掌握了電荷間的相互作用的規(guī)律。而進一步將電荷間作用的規(guī)律具體化、數(shù)量化的工作,則是兩千年之后的法國物理學家?guī)靵?,他用精確實驗研究了靜止的點電荷間的相互作用力。于1785年發(fā)現(xiàn)了后來用他的名字命名的庫侖定律。 試參照卡文笛許扭秤,說出庫侖扭

7、秤的實驗原理。 2. 庫侖定律 (1) 庫侖定律的內(nèi)容和意義: 庫侖實驗的結(jié)果是:在真空中兩個電荷間作用力跟它們的電量的乘積成正比,跟它們間的距離的平方成反比,作用力的方向在它們的連線上,這就是庫侖定律。若兩個點電荷q1,q2靜止于真空中,距離為r,如圖3所示,則q1受到q2的作用力F12為 板書:2、庫侖定律 (1)真空中兩個點電荷的庫侖力(靜電力) q2受到q1 的作用力F21與F12互為作用力與反作用力,它們大小相等,方向相反,統(tǒng)稱靜電力,又叫庫侖力。 若點電荷不是靜止的,而是存在相對運動,那么它們之間的作用力除了仍存在靜電力之外,還存在相互作用的磁場力。關于磁場力的知識,

8、今后將會學到。 (2) 庫侖定律適用于真空中兩個點電荷之間的相互作用力。 板書:(2)庫侖定律的適用條件:真空中,兩個點電荷之間的相互作用。 當帶電體大小和它們之間的距離相比可以忽略時,可理解為帶電體只為一點,電荷集中于該點,,r即為兩個帶電體之間距離。這時可用庫侖定率。當帶電體是均勻帶電的球體時也可使用庫侖定律,r可視為球心連線距離。不均勻就不能使用。 當帶電體大小與它們距離相比不可忽略時,電荷不能視為集中一點,r不能確定,不適用庫侖定律。這時要求兩帶電體間的相互作用,就要用到力的合成的辦法。 例1:手冊P9/3:半徑為R的兩個較大金屬球放在絕緣桌面上,若兩球都帶等量同種電荷Q時相

9、互之間的靜電力為F1,兩球帶等量異種電荷Q和-Q時相互作用的靜電力為F2,則比較F1和F2的大小為:F1 ∠ F2。 (3) 式中的K是非常重要的物理常數(shù),叫做靜電力恒量,數(shù)值為 板書:(3), 這個大小是用實驗方法確定的。其單位是由公式中的F、Q、r的單位確定的,使用庫侖定律計算時,各物理量的單位必須是:F:N、Q:C、r:m。如果兩個1C的點電荷在真空中相距1m時產(chǎn)生的庫侖力是(大約一百萬噸的物體的重)。(可見,一方面庫侖是很大的單位,梳子和頭發(fā)摩擦的帶電量只有不到10-6C,但云層閃電前的電量可達幾百庫侖,另一方面也說明靜電力比引力強大的多。) (4) 公式計算時不要代入電量

10、的符號,因為計算出的正負只能代表靜電力是吸引還是排斥,而不能揭示力的真正方向。而且公式, F是Q1對Q2的作用力,也是Q2對Q1的作用力的大小,是一對作用力和反作用力,即大小相等方向相反。不能理解為Q11Q2,受的力也不等。 例2:已知點電荷A電量是B點電荷的2倍,則A對B作用力大小跟B對A作用力的比值為( C ) A.2:1 B.1:2 C.1:1 D.不一定 例3:兩個質(zhì)量都是m的小球,都用細線拴在同一點,兩細線長度相等,兩球都帶上正電荷,但甲球電量比乙球多,平衡時兩細線分別與豎直方向夾角為θ1和θ2,則二者相比,θ1_____θ2。(答:=) (5) 庫侖力也稱為靜

11、電力,它具有力的共性。它與高一時學過的重力,彈力,摩擦力是并列的。它具有力的一切性質(zhì),它是矢量,合成分解時遵從平行四邊形法則,與其它的力平衡,使物體發(fā)生形變,產(chǎn)生加速度。 3. 庫侖定律與萬有引力定律的比較: 庫侖定律是電磁學的基本定律之一。它的建立既是實驗經(jīng)驗的總結(jié),也是理論研究的成果。特別是力學中引力理論的發(fā)展,為靜電學和靜磁學提供了理論武器,使電磁學少走了許多彎路,直接形成了嚴密的定量規(guī)律。但是如果不是先有萬有引力定律的發(fā)現(xiàn),單靠實驗具體數(shù)據(jù)的積累,不知要到何年才能得到嚴格的庫侖定律的表達式。實際上,整個靜電學的發(fā)展,都是在借鑒和利用引力理論的已有成果的基礎上取得的。 我們將從下表

12、中來系統(tǒng)的認識這兩大定律的關系,增強我們對這兩大定律的認識與記憶,以便我們在今后的學習當中更好的運用。 ? 萬有引力 庫侖力 公式 F=Gm1m2/r2 F=Kq1q2/r2 產(chǎn)生原因 只要有質(zhì)量就有引力,因此稱為萬有引力 存在于電荷間,不光有吸引也可能有排斥 相互作用 吸引力與它們質(zhì)量積成正比 庫侖力與它們的電量積成正比 相似 遵從牛頓第三定律 與距離的關系為平方反比 4. 庫侖定律的應用 例4:兩個完全相同的均勻帶電小球,分別帶電量q1=2C正電荷,q2=4C負電荷,在真空中相距為r且靜止,相互作用的靜電力為F。 (1)今將q1、q2、r都加倍

13、,相互作用力如何變?(作用力不變) (2)只改變兩電荷電性,相互作用力如何變?(作用力不變) (3)只將r 增大4倍,相互作用力如何變?(作用力變?yōu)?F/25,方向不變。) (4)將兩個小球接觸一下后,仍放回原處,相互作用力如何變?(接觸后電量先中和,后多余電量等分,作用力大小變?yōu)?F/8,方向由原來的吸引變?yōu)橥瞥猓? (5)接上題,為使接觸后,靜電力大小不變應如何放置兩球?(將帶電體間距離變?yōu)椋? 例5:如圖所示,把質(zhì)量為0.2克的帶電小球A用絲線吊起,若將帶電量為4×10-8C的小球B靠近它,當兩小球在同一高度時且相距3cm,絲線與豎直方向夾角為45°,此時小球B受到庫侖力F=__

14、_________。小球A帶的電量qA=____________。 解析:根據(jù)題給的條件,可知小球A處于平衡狀態(tài),分析小球A受力情況如下圖所示。小球重力mg。絲線拉力T和小球B對小球A的靜電力F的合力為零。(物體的平衡條件是關鍵) 題中小球A,B都視為點電荷,它們之間相互吸引,其作用力大小 ∴ => 小球B受到庫侖力與小球A受到庫侖力為作用力和反作用力,所以小球B受到的庫侖力大小為2×10-3N。小球A與小球B相互吸引,B帶正電,小球A帶負電,所以qA=-0.5×10-8C(負號不可缺少) 例6:兩個正電荷q1與q2電量都是3C,靜止于真空中,相距r=2m。 (1)在它們的連

15、線AB的中點O放入正電荷Q,求Q受的靜電力。 (2)在O點放入負電荷 Q,求Q受的靜電力。((1)(2)題電荷Q受力為零。) (3)在連線上A點的左側(cè) C點放上負點電荷q3,q3=1C且AC=1m,求q3所受靜電力。 解 當一個點電荷受到幾個點電荷的靜電力作用時,可用力的獨立性原理求解,即用庫侖定律計算每一個電荷的作用力,就像其他電荷不存在一樣,再求各力的矢量和。 (3)q3受引力F31與引力F32,方向均向右,合力為: 例7:如上圖所示,等邊三角形ABC,邊長為L,在頂點A、B處有等量異性點電荷QA,QB,,QA=+Q,QB=-Q,求在頂點C處的點電荷QC所受的靜電力。

16、解析:分析QC受幾個力,確定各力大小和方向。 因QB的存在QA對QC的作用力,還遵守庫侖定律嗎? QC題目中沒有交待電性,解答時就需考慮兩種情況,即QC為正電,QC為負電。 當QC為正電時,受力情況如中圖所示,QA、QB對QC的作用力大小和方向都不因其它電荷的存在而改變,仍然遵守庫侖定律的規(guī)律。 QA對QC作用力:,同性電荷相斥。QB對QC作用力:,異性電荷相吸。 ∵QA=QB=Q ∴FA=FB 根據(jù)平行四邊形法則,QC受的力F1即為FA、FB的合力,根據(jù)幾何知識可知,QC受力的大小,F(xiàn)1=FA=FB=,方向為平行AB連線向右。 當QC為負電時,如圖3所示。方向平行AB連線向左。

17、 從本題解答可知:(1)靜電力合成分解時遵守平行四邊形法則。(2)題中不交待電性時,需根據(jù)題給的條件判斷其電性,若不能判斷電性,應按兩種情況處理。(3)求靜電力時要計算其大小還要回答力的方向。 例8:相距為L的點電荷A、B的帶電量分為+4Q和-Q,要引進第三個點電荷C,使三個點電荷在庫侖力作用下都能處于平衡狀態(tài),試求C電荷的電量和放置的位置? 解析:如圖所示,首先分析點電荷C可能放置的位置,三個點電荷都處于平衡,彼此之間作用力必須在一條直線上,C只能在AB決定的直線上,不能在直線之外。而可能的區(qū)域有3個,一是AB間,A與B帶異性電荷互相吸引,C電荷必須與A、B均產(chǎn)生推斥力,這不可能。二是

18、在BA連線的延長線上,此時C離A近,A帶電荷又多,不能同時使A、B處于平衡。三是AB延長線,放B的右側(cè)能滿足A、B同時處于平衡,C同時也平衡。 設:點電荷C置于B的右側(cè)且距離B為x,帶電荷為q,則 (A處于平衡) (B處于平衡) 解方程:q=4Q,x=L 本題的解答過程,要求學生能熟練使用庫侖定律,物體的平衡條件。同時要求學生有比較強的分析問題,解決問題的能力。 【課堂練習】 庫侖定律的應用 【課后作業(yè)】 1、 第一課時:完成點電荷概念、庫侖定律的教學,熟悉公式,初步應用定律結(jié)合平衡條件解題 課本P14-12、3、,教材全練P3-4 2、 第二課時:鞏固庫侖定律,會用疊加解靜電力的合成,進一步應用力學知識與定律綜合解題 課本P14 4、5,教材全練P5-6 【課后反思】

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