高中物理 第一章 静电场 第二节 库仑定律示范教案 新人教版选修31Word格式文档下载.docx
《高中物理 第一章 静电场 第二节 库仑定律示范教案 新人教版选修31Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理 第一章 静电场 第二节 库仑定律示范教案 新人教版选修31Word格式文档下载.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
现在就让我们踏着科学家的足迹去研究电荷之间的相互力。
演示实验：
首先转动感应起电机起电，然后利用带电的物体吸引轻小物体的性质使通草球与感应起电机的一端相接触，通草球带同种电荷后弹开，最后改变二者之间的距离观察有什么现象产生？
（注意：
观察细线的偏角）
猜想：
电荷间相互作用力的大小与哪些因素有关？
可能因素：
距离、电荷量及其他因素。
[事件2]
设计方案 定性探究
Ⅰ：
定性探究一：
探究F与r之间的定性关系 （学生讨论设计实验方案）
为了探究F与r之间的定性关系，对其他因素（如：
电荷量、带电体的形状）我们应该如何处理？
只改变r的大小，保持其他条件不变。
（让学生回忆起控制变量法）
[实验设计方案]
实验器材：
如图所示。
其中A、B是两个直径为1.5cm泡沫小球，小球的外层均匀涂有墨水，使之可以通过接触带电，A球用长为60cm左右的绝缘棉线悬挂于铁架台上。
实验操作：
使A、B两球带上同种电荷，发现B球离A球越近，A球偏离竖直方向就越大（实验中最好保持两球在同一水平面上）。
现象说明：
大家是如何判断小球A所受的库仑力F大小的变化的？
（通过偏离竖直方向的角度θ的大小，角度θ越大A所受的库仑力就越大。
）
偏转角θ与小球A所受的库仑力F的大小关系如何？
（F＝mgtanθ）
特别提醒：
由于在这里我们没法直接测量出力F的大小，而是通过偏转角θ的变化来判断F的变化这种方法就是测量变换法（间接测量法）。
实验结论：
电荷量不变时，改变带电体间距离r，两电荷间的作用力F随距离r的减小而增大。
Ⅱ：
定性探究二：
F与q之间的定性关系 （学生讨论设计实验方案）
只改变q的大小，保持其他条件不变。
将两个直径为1.5cm、外层均匀涂有墨水的泡沫小球，用长为60cm左右的细导线连起来，然后用绝缘棉线悬挂于铁架台上。
再将导线接到手摇静电感应器的一个小球上。
摇动手柄，使A、B两球带上等量的同种电荷，发现手摇得越快，两球间的距离越大，即偏角越大。
由于要保持距离不变，通过改变电荷量的大小比较困难，而前面已经得出了F与R的定性关系，这里学生一般能够看出q越大，F就越大。
1．转得越快说明什么？
（转得越快，说明两小球的带电荷量越多。
2．两球距离（偏角）越大说明什么？
（两球距离（偏角）越大说明两球间的相互作用力越大。
若距离不变，改变电荷量，两电荷间的作用力F随电荷量q的增大而增大。
[事件3]
简要介绍物理学史，初步感受平方反比规律的得出
电荷间的作用力与它们带的电荷量以及距离有关，那么电荷之间相互作用力的大小会不会与万有引力的大小具有相似的形式呢？
简要介绍物理学史：
类比法的成功
1．普利斯特利（1733～1804）：
德国人，氧气的发现者，化学家。
2．富兰克林的空罐实验
用丝线将一小块软木悬挂在带电金属罐外的附近，软木受到吸引。
但把它悬挂在罐内时，不论在罐内何处，它都不受电力。
当富兰克林写信将这一现象告之普利斯特利后，普氏想到：
1687年牛顿曾证明：
万有引力若服从平方反比定律，则均匀的物质球壳对壳内物体应无作用。
普利斯特利将空罐实验与牛顿推理类比，联想到电力也表现了这种特性，所以也应遵从平方反比定律。
[事件4]
库仑定律的内容
1．定律内容：
真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。
2．公式：
F＝k
，其中k为静电力常量，k＝9.0×
10－9N·
m2/C2。
3．特别说明：
（1）关于“点电荷”，应让学生理解这是相对而言的，只要带电体本身的大小跟它们之间的距离相比可以忽略，带电体就可以看做点电荷。
严格地说点电荷是一个理想模型，实际上是不存在的。
这里可以引导学生回顾力学中的质点的概念。
容易出现的错误是：
只要体积小就能当点电荷，这一点在教学中应结合实例予以纠正。
（2）要强调说明课本中表述的库仑定律只适用于真空，也可近似地用于气体介质，对其他介质对电荷间库仑力的影响不便向学生多作解释，只能简单地指出：
为了排除其他介质的影响，将实验和定律约束在真空的条件下。
（3）扩展：
任何一个带电体都可以看成是由许多点电荷组成的。
任意两点电荷之间的作用力都遵守库仑定律。
用矢量求和法求合力。
利用微积分计算得：
带电小球可等效看成电荷量都集中在球心上的点电荷。
静电力同样具有力的共性，遵循牛顿第三定律，遵循力的平行四边形定则。
[事件5]
介绍库仑扭秤实验
利用图片加文字说明的形式展现人类对静电力的探究过程。
片段一：
1767年，英国物理学家普利斯特利通过实验发现静电力与万有引力的情况非常相似，为此他首先提出了静电力平方成反比定律猜测。
片段二：
1772年，英国物理学家卡文迪许遵循普利斯特利的思想以实验验证了电力平方反比定律。
片段三：
1785年法国物理学家库仑设计制作了一台精确的扭秤，用扭秤实验证明了同号电荷的斥力遵从平方反比律，用振荡法证明异号电荷的吸引力也遵从平方反比定律。
库仑扭秤实验的验证过程（投影加解说）
（1）结构简介（利用投影显示）。
（2）如何解决力的准确测量？
①操作方法，力矩平衡：
静电力力矩＝金属细丝扭转力矩，F∶θ
②思想方法：
放大、转化
（3）F与r2关系的验证。
①设计思想：
控制变量法——控制Q不变
②结果：
库仑精确地用他的扭秤实验测量了两个带电小球在不同距离下的静电力，证实了自己的猜测。
基本上验证了F与r之间的平方反比关系。
（4）如何解决电荷量测量问题，验证F与Q的关系？
①库仑将两个完全相同的金属小球，一个带电、一个不带电，两者相互接触后电荷量被两球等分，各自带有原有总电荷量的一半。
这样库仑就巧妙地解决了这个问题，用这个方法依次得到了原来电荷量的1/2、1/4、1/16等的电荷，从而顺利地验证得出F∝Q1Q2
守恒、对称。
[事件6]
库仑定律的应用
例题试比较电子和质子间的静电引力和万有引力。
已知电子的质量m1＝9.10×
10－31kg，质子的质量m2＝1.67×
10－27kg。
电子和质子的电荷量都是1.60×
10－19C。
分析：
这个问题不用分别计算电子和质子间的静电引力和万有引力，而是列公式，化简之后，再求解。
解：
电子和质子间的静电引力和万有引力分别是
F1＝k
，F2＝G
，
＝
＝2.3×
1039
可以看出，万有引力公式和库仑定律公式在表面上很相似，表述的都是力，这是相同之处；
它们的实质区别是：
首先万有引力公式计算出的力只能是相互吸引的力，绝没有相排斥的力。
其次，由计算结果看出，电子和质子间的万有引力比它们之间的静电引力小很多，因此在研究微观带电粒子间的相互作用时，主要考虑静电力，万有引力虽然存在，但相比之下非常小，所以可忽略不计。
[事件7]
巩固练习
复习本节课文及阅读科学漫步
参考题
1．真空中有两个相同的带电金属小球A和B，相距为r，带电荷量分别为q和2q，它们之间相互作用力的大小为F。
有一个不带电的金属球C，大小跟A、B相同，当C跟A、B小球各接触一次后拿开，再将A、B间距离变为2r，那么A、B间的作用力的大小可为…（ ）
A．3F/64 B．0 C．3F/82 D．3F/16
2．如图所示，A、B、C三点在一条直线上，各点都有一个点电荷，它们所带电荷量相等。
A、B两处为正电荷，C处为负电荷，且BC＝2AB。
那么A、B、C三个点电荷所受库仑力的大小之比为______。
3．真空中有两个点电荷，分别带电q1＝5×
10－3C，q2＝－2×
10－2C，它们相距15cm，现引入第三个点电荷，它应带电荷量为______，放在______位置才能使三个点电荷都处于静止状态。
4．把一电荷Q分为电荷量为q和（Q－q）的两部分，使它们相距一定距离，若想使它们有最大的斥力，则q和Q的关系是______。
答案
1．解析：
若A、B同号，F＝k
，F′＝k
F；
若A、B异号，F′＝k
F。
A正确。
2．解析：
FA＝k
－k
k
，FB＝k
＋k
，FC＝k
FA∶FB∶FC＝32∶45∶5
3．－2×
10－2C，q1q2连线上与q2关于q1对称
4．q＝
特别说明：
1．点电荷是一种理想化的物理模型，这一点应该使学生有明确的认识。
2．通过本书的例题，应该使学生明确地知道，在研究微观带电粒子的相互作用时为什么可以忽略万有引力不计。
3．在用库仑定律进行计算时，要用电荷量的绝对值代入公式进行计算，然后根据是同种电荷，还是异种电荷来判断电荷间的相互作用是引力还是斥力。
4．库仑扭秤的实验原理是选学内容，但考虑到库仑定律是基本物理定律，库仑扭秤的实验对检验库仑定律具有重要意义，所以希望教师介绍给学生，可利用模型或挂图来介绍。
2 库仑定律
演示实验―→猜想―→实验
库仑定律―→应用
库仑定律的定量研究
1．实验仪器介绍：
J2367库仑扭秤（投影式）、感应起电机
2．实验采取的研究方法？
控制变量法。
3．如何设计实验？
（1）电荷量一定时，F与r的关系。
（2）r一定时，F与Q1·
Q2的关系。
4．实验原理及步骤
本装置采用投影仪进行放大观测，定量演示库仑定律。
根据高斯定律，均匀带电球面在面外各点的电场分布与点电荷的电场分布相同，因此，实验中采用球形带电体作为点电荷的近似模型。
投影式库仑扭秤保留了传统式库仑扭秤的物理思想，在结构设计、观测方法、加工工艺等方面有较大改进，使演示的可见度大。
一、装置结构及技术参数
如图所示，仪器主要由扭摆球、移动球、透明方箱三部分组成。
1．配重；
2.调零片；
3.游丝；
4.摆架；
5.摆轴；
6.轴承；
7.摆杆（一半为绝缘材料，另一半为铝材）；
8.指针；
9.透明方箱；
10.底脚；
11.止动旋钮；
12.微调零旋钮；
13.测力标尺；
14.测距标尺；
15.移动旋钮；
16.A球底座；
17.拉板；
18.A、B：
带电球
二、操作方法
1．实验准备
（1）投影调焦
把仪器放在投影器上，调节焦距，使测力标尺13和测距标尺14的刻度线都能在银幕上清晰可见。
（2）零点微调
将止动旋钮11旋出，使旋钮前端与指针8相离约5mm，当发现指针与测力标尺的0刻度不重合时，需要零点微调，把微调零旋钮12松开，轻轻移动标尺，使指针准确指零之后，再轻轻拧紧旋钮。
（3）干燥处理
该仪器的使用条件为相对湿度≤80%。
在湿度较大时，需要对仪器进行干燥处理，将拉板17拉开，用热风机向箱内吹热风使箱内干燥（如发现箱内的干燥剂发红时，需事先将干燥剂烘干，使它变成蓝色），之后关上拉板，再用热风机对有机玻璃棒和丝绸进行干燥。
全部干燥处理后立刻进行演示操作。
2．演示步骤
演示1 电荷量一定时，F与r的关系。
（1）将移动旋钮15松开，向右推动旋钮，使A球与B球相靠。
（2）使有机玻璃棒与丝绸摩擦带电。
（3）将拉板拉开，把带电的有机玻璃棒伸入箱内，穿过两球底部，棒的前端微微翘起，离左侧壁1～2cm时，使棒接触两球，向外边拉边转，给球带电。
因两球靠在一起同时带等量电荷。
两球带电后，关闭拉板。
注意：
两球所带电荷量不易过大或过小，大约在r为5～6cm时，F为12～20mm（F）为宜。
（4）成倍数的改变r，分别测出对应的F（移动A球的快慢适当，使摆球有轻微摆动过程到达新的平衡位置）。
实验结果表明，电荷量一定时，F与r2成反比。
演示2 r一定时，F与Q1、Q2的关系。
（1）A、B球带等量同种电荷，带电方法同前。
移动A球，调节r的大小，使F为被4整除的一个整数值，如：
F为12、16、20mm（F）。
F值确定后，记录下r值的大小。
（2）用不带电的放电球接触A球，A球电荷量为Q/2。
移动A球底座，使r的大小保持不变（恢复到记录r值的大小）。
观测并记录F2的大小。
（3）用手触摸A球，然后移动A球与B球相碰，两球各带原来的1/2电荷量，使r的大小不变，测得F3。
从实验中可以看出，r一定时，F与Q1·
Q2成正比。
实验完毕后，使两球消电，摆球静止时拧入止动旋钮和拧紧移动旋钮。
注：
本次实验采用东北师范大学生产的“J2367库仑扭秤（投影式）”，它的优点在于方便地读取两球间距离r和作用力F的大小。
2019-2020年高中物理第一章静电场第二节库伦定律自我小测新人教版选修3-1
一、选择题（其中第1～5题为单选题，第6～7题为多选题）
1．两个点电荷相距为d，相互作用力大小为F；
保持两个点电荷电荷量不变，改变它们之间的距离，使相互作用力大小变为4F，则两点电荷之间的距离应变为（ ）
A．4dB．2dC.D.
2．如图所示，两个带电球，大球的电荷量大于小球的电荷量，可以肯定（ ）
A．两球都带正电
B．两球都带负电
C．大球受到的静电力大于小球受到的静电力
D．两球受到的静电力大小相等
3．两个分别带有电荷量为－Q和＋3Q的相同金属小球（均可视为点电荷），固定在相距为r的两处，它们间库仑力的大小为F.两小球相互接触后将其固定距离变为，则两球间库仑力的大小为（ ）
A.B.C.D．12F
4．如图所示，有三个点电荷A、B、C位于一个等边三角形的三个顶点上，已知A、B都带正电荷，A所受B、C两个电荷的静电力的合力如图中FA所示，那么可以判定点电荷C所带电荷的电性为（ ）
A．一定是正电B．一定是负电
C．可能是正电，也可能是负电D．无法判断
5．如图所示，悬挂在O点的一根不可伸长的绝缘细线下端有一个带电荷量不变的小球A.在两次实验中，均缓慢移动另一带同号电荷的小球B，当B到达悬点O的正下方并与A在同一水平线上，A处于受力平衡时，悬线偏离竖直方向的角度为θ.若两次实验中B的电荷量分别为q1和q2，θ分别为30°
和45°
，则q2/q1为（ ）
A．2B．3C．D．
6．对于库仑定律，下面说法正确的是（ ）
A．凡计算真空中两个点电荷间的相互作用力，就可以使用公式
B．两个带电小球即使相距非常近，也能用库仑定律
C．相互作用的两个点电荷，不论它们的电荷量是否相同，它们之间的库仑力大小一定相等
D．当两个半径为r的带电金属球中心相距为4r时，对于它们之间的静电作用力大小，只取决于它们各自所带的电荷量
7．将两个半径极小的带电小球（可视为点电荷）置于一个绝缘的光滑水平面上，从静止开始释放，则下列叙述中正确的是（ ）
A．它们的加速度一定在同一直线上，而且方向可能相同
B．它们的加速度可能为零
C．它们的加速度方向一定相反
D．它们的加速度大小之比保持不变
二、非选择题
8．两根光滑绝缘棒在同一竖直平面内，两棒与水平面间均成45°
角，棒上各穿有一个质量为m、电荷量为Q的相同小球，如图所示．现让两球同时从同一高度由静止开始下滑，则当两球相距多远时，小球的速度达到最大值？
9．有A、B两带电小球，A固定不动，B的质量为m.在库仑力作用下，B由静止开始运动．已知初始时，A、B间的距离为d，B的加速度为a.经过一段时间后，B的加速度变为，此时，A、B间的距离应为多少？
参考答案
1．答案：
C
由题图可知，两带电球相互排斥，说明两球一定带有同号电荷，但不能确定是正电荷，还是负电荷，故选项A、B错误；
两带电球间的静电力具有一般力的共性，符合牛顿第三定律，故选项C错误，选项D正确．
答案：
D
3．解析：
本题考查库仑定律及带电体电荷量的转移问题．接触前两个点电荷之间的库仑力大小为，两个相同的金属球各自带电，接触后再分开，其所带电荷量先中和后均分，所以两球分开后各自电荷量为＋Q，距离又变为原来的，库仑力为
，所以两球间库仑力的大小为，C项正确．
4．解析：
因A、B都带正电，所以库仑力表现为斥力，即B对A的作用力沿BA的延长线方向，而不论C带正电还是带负电，A和C的作用力方向都必须在A、C连线上，由平行四边形定则知，合力必定为两个分力的对角线，所以A和C之间必为引力，所以C带负电，选项B正确．
B
5．解析：
设细线长为l，A和B处在同一水平线上，以A为研究对象，小球A受到重力、库仑力F和绳子的拉力FT三个力的作用．A处于平衡状态，则库仑力.当时，有，；
当时，有，，联立得，.
6．解析：
库仑定律适用于真空中的两个点电荷，当两个带电小球离得非常远时，可以看成点电荷来处理，而带电小球离得比较近时，小球上的电荷分布会发生变化，不再均匀分布，库仑定律不再适用．两点电荷间的库仑力是作用力和反作用力，所以选项A、C正确．
AC
7．解析：
两个带电小球之间的静电力是相互作用力，大小相等，方向相反．所以，它们的加速度方向一定相反，由知，加速度大小之比始终等于质量之比的倒数，保持不变．若两个小球带同号电荷，两个小球相互排斥，距离增大，静电力减小，加速度越来越小；
若两个小球带异号电荷，两个小球相互吸引，距离减小，静电力增大，加速度越来越大．综上，选项C、D正确．
CD
8．解析：
小球在下滑过程中先加速后减速，当时，速度达到最大值，此时两球相距L.对任一小球，此时所受重力、弹力、库仑力三者的合力为零．，，解之得，.
9．解析：
如图所示，设A、B的带电荷量分别为q1、q2.
B的加速度为时，A、B间的距离为x.
由库仑定律和牛顿第二定律可得，
，①
，②
联立①②求得，.
升级会员 