2018年新课标人教版高中物理选修3-1全套教学设计.pdf
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1、1 人教版高中物理选修3-1 精品教案 库仑定律、电场强度 (一)电荷守恒定律 1、电荷既不能创造, 也不能消灭, 只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分 转移到另一部分,在转移过程中,电荷的总量保持不变。这个结论叫做电荷守恒定律。 2、电荷的多少叫电荷量,单位库伦,用C表示。最小的电荷叫元电荷,用e 表示, e=1.60 10 19C 。 3、带电粒子的电荷量与粒子的的质量之比, 11 1.7106 e e m C/kg. 叫做该粒子的比荷。 4、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正比,与它们距离 的二次方成反比,作用力的方向在它们的连线上。
2、(1)公式 2 21 r qq kF(2)k=9.010 9Nm2/c2 电荷量的单位是库仑( C ) 、力的单位是牛顿( N) 、距离单位米( m )K是静电力常量 (3)适用条件:真空中,点电荷(注意:看作点电荷的前提是带电体间的距离远大于带电体 的尺寸) (4)微观粒子之间的万有引力远小于库仑力。 (5)两个点电荷之间的作用力不因第三个点电荷的存在而改变。 5、点电荷:任何带电体都有形状和大小,其上的电荷也不会集中在一点上。当带电体间的距 离比它们自身的大小大得多,带电体的大小和形状忽略不计。这样的带电体可看作点电荷, 点电荷类似于力学中的质点,它是一种理想化的物理模型。 (二)电场电场
3、强度 1、电场的基本性质:就是对放入其中的电荷有力的作用,这种力叫做电场力。 2、电场强度 放入电场中某点的电荷受到的电场力F 跟它的电荷量 q 的比值,叫做该点的电场强度, 简称场强。 (1)公式 F E q (2)单位 V/m 1V/m=1N/C 但 E与 F和 q 无关,E由场源和位置决定。 (3)矢量性:规定正电荷在该点受电场力的方向为该点场强的方向。 3、点电荷电场的场强 2 Q Ek r 4、电场的叠加原理:如果有几个点电荷同时存在,它们的电场就互相叠加,形成合电场。这 时某点的场强等于各个电荷单独存在时在该点产生的场强的矢量和。这叫做电场的叠加原理。 5、匀强电场 (1) 定义:
4、电场中各点场强的大小相等、方向相同的电场就叫匀强电场. 典型例题: 例1、有三个完全相同的金属小球A、B、C ,其中 A、B分别带 14Q和Q的电量, C不带电, A、B球心间的距离为 r (远大于球的直径),相互吸引力为 F。现让 C球先接触 A球后,再与 B球接触,当把 C球移开后, A、B两球的作用力的大小将变为_F 。 2 精析:A、B可看成点电荷, 2 2 14 F Q K r ,C球与 A球接触后,由电荷守恒定律知:A、C两 球各带 7Q的电量; C球再与 B球接触后, B、C两球各带 3Q的电量,此时 A、B两球间的 相互作用为斥力 2 1 2 21 F Q K r 13 : 2
5、 FF答案: 3 2 例2、 真空中的两个点电荷A、 B相距20cm , A带正电 QA=4.010 10C , 已知 A对 B的吸引力 F=5.4 10 8N,则 B在 A处产生的场强大小为 _V/m ,方向 _;A在 B处产生的场强大 小是_V/m ,方向是 _. 精析:A对 B的作用力是 A的电场对 B的作用力,B对 A的作用力是 B的电场对 A的作用力, 由牛顿第三定律知FBA=5.410 8N,则 BA BA A E135/ F Vm Q ,方向由 A指向 B,又由 2 AB Q Q Fk r 10 6.0 10 B QC, AB AB E90/ B F Vm Q 方向由 B指向 A
6、. 例4、如图所示: q1、q2、q3分别表示在一条直线上的三个点电荷,已知q1与 q2之间的距为 l1, q2与 q3之间的距为 l2,且每个电荷都处于平衡状态。 (1) 如 q2为正电荷,则 q1为_电荷, q3为_电荷。 (2)q1、q2、q3三者电荷量大小之比是: _ 解析:就 q2而言, q1和 q3只要带同种电荷便可能使其处于平衡状态,而对q1和 q3,若都带正 电荷,各自均受制另外两个电荷的斥力而不能保持平衡,只有同带负电荷 ,q2对其为吸引力, 另外一个电荷对其为斥力,当两力大小相等时才能处于平衡状态。 现再对 q1列方程有: (I 1I2) 2 11 22 11 32 2 (
7、) Kk q qq q III 可得: q2q3=l1 2(l 1l2) 2 对 q2列方程有: 2 2 1232 2 1 Kk q qq q II 可得:q1q3=l1 2l 2 2 q1q2q3=l1 2(l 1l2) 2l 1 2l 2 2(l 1l2) 2l 2 2 总结:三点电荷都平衡规律,三个点电荷一定满足:(1) 在同一直线上; (2) 两同类一异; (3) 两大夹一小。 电势能电势和电势差 1静电力做功的特点 结合(右图)分析试探电荷 q 在场强为 E的均强电场中沿不 同路径从 A运动到 B电场力做功的情况。 q 沿直线从 A到 B q 沿折线从 A到 M 、再从 M到 B q
8、 沿任意曲线线 A到 B 3 结果都一样即: W=qEL AM =qELABcos 【结论】 :在任何电场中,静电力移动电荷所做的功,只与始末两点的位置有关, 而与电 荷的运动路径无关。 2电势能 电势能:由于移动电荷时静电力做功与移动的路径无关,电荷在电场中也具有势能,这 种势能叫做电势能。可用EP表示。静电力做的功等于电势能的减少量。写成式子为: PBPA EEWAB 注意:电场力做正功,电荷的电势能减小;电场力做负功,电荷的电势能增加 在正电荷产生的电场中正电荷在任意一点具有的电势能都为正,负电荷在任一点具有 的电势能都为负。 在负电荷产生的电场中正电荷在任意一点具有的电势能都为负,负电
9、荷 在任意一点具有的电势能都为正。 求电荷在电场中某点具有的电势能 电荷在电场中某一点A具有的电势能 EP等于将该点电荷由A点移到电势零点电场力所做 的功 W的。即 EP=W AB 求电荷在电场中A、B两点具有的电势能高低 将电荷由 A点移到 B点根据电场力做功情况判断,电场力做正功,电势能减小,电荷在 A点电 势能大于在 B点的电势能,反之电场力做负功,电势能增加,电荷在 B点的电势能小于在 B点的电 势能。 电势能零点的规定 : 若要确定电荷在电场中的电势能,应先规定电场中电势能的零位 置。 零势能面的选择 : 通常把电荷离场源电荷无限远处的电势能规定为零,或把电荷在大地 表面上的电势能规
10、定为零。 所以:电荷在电场中某点的电势能,等于静电力把它从该点移动到零电势能位置时电场 力所有做的功。如上式若取B为电势能零点,则A点的电势能为: ABABPA qELWE 3电势 (1)定义:电荷在电场中某一点的电势能 P E 与它的电荷量的比值,叫做这一点的电势。 用表示。标量,只有大小,没有方向,但有正负。 (2)公式: q Ep (与试探电荷无关)(3)单位:伏特( V) 1V=1J/C (4)电势与电场线的关系:电势顺线降低。 (电场线指向电势降低的方向) (5)零电势位置的规定:电场中某一点的电势的数值与零电势的选择有关,即电势的数 值决定于零电势的选择 (大地或无穷远默认为零)
11、4 4、等势面的概念及特点 (1)等势面电场中电势相同的各点构成的曲面叫做等势面。 (2)等势面的特点 电场线与等势面处处垂直,且总是由电势高的等势面指向电势低的等势面;在同一等 势面上各点电势相等,所以在同一等势面上移动电荷,电场力不做功处于静电平衡的导 体是一个等势体,导体表面是一个等势面; 导体表面的电场线与导体表面处处垂直。 (3)熟悉匀强电场、点电荷的电场、等量异种电荷的电场、等量同种点电荷的电场的等势面 的分布情况。 点电荷电场中的等势面,是以电荷为球心的一簇球面; 等量同种点电荷电场中的等势面,是两簇对称曲面 等量异种点电荷电场中的等势面,是两簇对称曲面; 匀强电场中的等势面,是
12、垂直于电场线的一簇平面. 5、电势差: 1、电势差:(又叫电压) BAAB U (1)定义: 电荷 q 在电场力作用下由A点移到另一点 B的过程中,电场力做的功WAB与电荷 量 q 的比值,叫 A、B两点之间的电势差UAB 。 (2)定义式: q W U AB AB (3)单位: 伏特符号: V 1V=1J/C (4)物理意义: 电势差的值即为电场力作用下两点间移动一库仑的正电荷电场力做的功。 说明:定义式 q W U AB AB 中, AB W为 q 从初位置 A移动到末位置 B电场力做的功, AB W可 为正值,也可为负值, q 为电荷所带的电量,正电荷取正值,负电荷取负值。 电场中两点的
13、电势差,由这两点本身的初、末位置决定。与在这两点间移动电荷的电 量、电场力做功的大小无关。 公式 ABAB WqU适用于任何电场。 2、电势与电势差的比较: (1)电势差是电场中两点间的电势的差值, BAAB U (2)电场中某一点的电势的大小,与选取的参考点有关;电势差的大小,与选取的参考点无 关。 (3)电势和电势差都是标量,单位都是伏特,都有正负值; 电势的正负表示该点比参考点的电势大或小;电势差的正负表示两点的电势的高低。 ; 第六节、电势差与电场强度的关系 5 电场强度与电势差的关系: 1、匀强电场中两点间的电势差等于电场强度与这两点沿电场方向的距离的乘积。 AB UEd 注:只适用
14、于匀强电场d 是沿电场方向移动的距离。 2、可以写做 d U E AB 他的意义: 在匀强电场中,电场强度的大小等于两点间的电势差与两点 沿电场强度方向距离的比值。E 的单位为 V/m,即 1 V/m=1 N/C。 第七节 静电现象的应用 一、静电平衡的特点 1、处于静电平衡状态下的导体,内部的场强处处为零。 2、处于静电平衡状态的整个导体是个等势体,它的表面是个等势面。 3、导体外表面处场强方向必跟该点的表面垂直。 二、1、火花放电是指物体上积累了电荷,且放电时出现火花的放电现象; 2、接地放电是指为了防止物体上过量积累电荷,而用导体与大地连接,把电荷接入大地 进行时时放电的现象; 3、尖端
15、放电的原理:物体表面带电密集的地方尖端,电场强度大,会把空气分子“撕 裂” ,变为离子,从而导电; 三、静电屏蔽 1、空腔导体的特点:静电荷只分布在外表面,内表面不带电,空腔内没有电场 2、静电屏蔽:外部电场对内部仪器没有影响。若将源电荷置于空腔内,则外对内没 有影响,但内对外有影响 四 、重难点知识剖析 1、电势与等势面 (1)电势是描述电场中单个点的电场性质,而等势面是描述电场中各点的电势分布。 (2)等势面的性质 同一等势面上任意两点间的电势差为零; 不同的等势面一定不会相交或相切; 电场强度方向垂直等势面且指向电势降低的方向。 2、比较电荷在电场中某两点电势能大小的方法 (1) 电场线
16、法 正电荷顺着电场线的方向移动时,电势能逐渐减小;逆着电场线的方向移动时,电势能 逐渐增大 负电荷顺着电场线的方向移动时,电势能逐渐增大;逆着电场线的方向移动时,电势能 逐渐减小 (2) 做功判断法 无论正、负电荷,电场力做正功,电荷从电势能较大的地方移向电势能较小的地方反 之,如果电荷克服电场力做功,那么电荷将从电势能较小的地方移向电势能较大的地方 (3) 场源电荷判断法 离场源正电荷越近,试探正电荷的电势能越大,试探负电荷的电势能越小 离场源负电荷越近,试验正电荷的电势能越小,试验负电荷的电势能越大 6 3、电场中电势高低的判断和计算方法 (1) 根据电场线方向判断因沿电场线方向各点电势总
17、是越来越低,而逆着电场线方向电势 总是逐渐升高 (2) 根据等势面的分布和数值,都画在同一图上,直接从图上判定电势高低 (3) 根据电场力做功公式判定当已知q 和 WAB时,由公式 WAB=qUAB,则 AB AB W U q 判定 4、电势能与电势的关系 (1) 电势是反映电场电势能的性质的物理量还可以从能的角度定义电势: 电场中某点的 电荷具有的电势能EP跟它的电荷量的比值,叫做该点的电势,即 q Ep ,某点的电势与该点 是否有电荷无关 (2) 电势是由电场决定,电势能是由电场和电荷共同决定的它们都是标量、相对量当 零势点确定以后,各点电势有确定的值由于存在两种电荷,则在某一点不同种电荷
18、的电势 能有的为正值,也有的为负值 5、电势与场强的比较 (1) 场强是反映电场力的性质, 电势是反映电场能的性质, 它们都是由比值定义的物理量, 因而它们都是由电场本身确定的,与该点放不放电荷无关 (2) 电场强度是矢量, 电场确定后,各点的场强大小和方向都惟一地确定了( 即各点场 强大小有确定的值 ) 。电势是标量,是相对量 电场确定后,各点电势的数值还可随零电 势点的不同而改变 (3) 电场线都能描述它们,但又有所不同: 电场线的密度表示场强的大小,电场线上各点的切线方向表示场强的方向 沿电场线的方向,电势越来越低,但不能表示电势的数值 典型例题: 1、下图是一匀强电场,已知场强E=21
19、0 2N/C现让一个电量 q=4108C的电荷沿电场方 向从 M点移到 N点,MN间的距离 s=30cm 试求: (1) 电荷从 M点移到 N点电势能的变化 (2)M,N两点间的电势差 解析: (1) 由图可知,负电荷在该电场中所受电场力F 方向向左因此从 M点移到 N点,电荷克 服电场力做功,电势能增加,增加的电势能E等于电荷克服电场力做的功W 电荷克服电场力做功为W=qEs=4 10 821020.3J=2.4 106J 即电荷从 M点移到 N点电势能增加了 2.4 10 6J (2) 从 M点到 N点电场力对电荷做负功为WMN=2.4 10 6J 则 M , N两点间的电势差为 即 M
20、, N两点间的电势差为 60V 7 2、下列一些说法,正确的是() A电场中电势越高的地方,电荷在那一点具有的电势能越大 B电场强度越大的地方,电场线一定越密,电势也一定越高 C 电场强度为零的地方,电势一定为零 D 某电荷在电场中沿电场线的方向移动一定距离,电场线越密的地方,它的电势能改变越大 解析:本题的关键是区分场强、电势、电势能概念以及与电场线的关系最易错的是,总是 用正电荷去考虑问题而忽略有两种电荷的存在由于存在两种电荷,故A项错误电场线的 疏密表示场强大小,而电场线的方向才能反映电势的高低,故B项错电势是相对量,其零 电势位置可随研究问题的需要而任意确定故“一定为零”是错误的答案:
21、 D 5、如图所示, P、Q两金属板间的电势差为 50V,板间存在匀强电场,方向水平向左,板间的 距离 d=10cm ,其中 Q板接地,两板间的A点距 P板4cm 求: (1)P 板及 A点的电势 (2) 保持两板间的电势差不变,而将Q板向左平移 5cm ,则 A点的电势将变为多少 ? 解析: 板间场强方向水平向左,可见Q板是电势最高处 Q板接地,则电势 Q=0,板间各点电 势均为负值利用公式 U E d 可求出板间匀强电场的场强,再由U=Ed可求出各点与 Q板间的 电势差,即各点的电势值 (1) 场强 QA间电势差 UQA=Ed=510 2(104)102V=30V A点电势A=30V,P点
22、电势 P=UPQ=50V (2) 当 Q板向左平移 5cm时,两板间距离 d1=10cm 5cm=5cm Q板与 A点间距离变为 d=(104)cm5cm=lcm 电场强度 Q 、A间电势差 UQA=Ed=1.010 31.0 102V=10V 所以 A点电势 A=10V 第八节、电容器的电容 1、电容器的电容、平行板电容器的电容 (1) 电容器所带的电量Q与电容器两极板间的电势差U的比值,叫做电容器的电容。 公式: U Q C单位:法拉( F)还有微法(F)和皮法(pF) 1F=10 -6 F 1pF=10 -12 F ( 2) 常用电容器:聚苯乙烯电容器、电解电容器、平行板电容器、可变电容
23、器. 其中电解电 容器连接时应注意其“” 、 “”极 . (3)电容的物理意义 : 电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量,是由电容器本身的性质决 定的, 与电容器是不是带电无关 (4) 平行板电容器:平行板电容器的电容C跟介电常数 成比,跟两板正对面积S成正比, 跟两板间距离 d 成反比, 8 平行板电容器的决定式:真空 kd S C 4 介质 kd S C r 4 (6) 对电容器电容的两个公式的理解. 公式 U Q C 是电容的定义式, 适用于任何电容器 . 对于一个确定的电容器, 其电容只由 本身的因素决定,而与其电荷量Q和电压 U无关. 公式 kd S C r 4 是平行板电容器的决定
24、式,只适用于平行板电容器. 第九节、带电粒子在电场中的运动 1、带电粒子在电场中加速 带电粒子进入电场中加速,若不计粒子重力,根据动能定理,有 22 0 11 22 Wmm WqU 22 0 11 22 qUmm 2 0 2 = qU m 当初速度 0 0时,末速度的大小只与带电粒子的荷质比 () q m 和加速电压 U有关,而与 粒子在电场中的位移无关 . 2、带电粒子在电场中的偏转 带电粒子沿垂直匀强电场的场强方向进入电场后,做类平抛运动,如图所示,设粒子的 电荷量为 q,质量为 m ,初速度为 v0,两平行金属板间电压为U,板长为 L,板间距离为 d, 则平行于板方向的分运动是匀速直线运
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