高二物理选修31讲义.docx
《高二物理选修31讲义.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高二物理选修31讲义.docx（31页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
高二物理选修31讲义
第一节、电荷及其守恒定律（1课时）
第1节、电荷及其守恒定律
自然界中的两种电荷
正电荷和负电荷：
把用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷称为正电荷，用正数表示．把用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷称为负电荷，用负数表示．
电荷及其相互作用：
同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引．
1、电荷
（1）原子的核式结构及摩擦起电的微观解释
构成物质的原子本身就是由带电微粒组成。
原子：
包括原子核（质子和中子）和核外电子。
（2）摩擦起电的原因：
不同物质的原子核束缚电子的能力不同．
实质：
电子的转移．
结果：
两个相互摩擦的物体带上了等量异种电荷．
（3）金属导体模型也是一个物理模型P3
用静电感应的方法也可以使物体带电．
（4）、静电感应：
把电荷移近不带电的异体，可以使导体带电的现象。
利用静电感应使物体带电，叫做感应起电．
2、电荷守恒定律：
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．
另一种表述：
一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和总是保持不变。
3．元电荷
电荷的多少叫做电荷量．符号：
Q或q单位：
库仑符号：
C
元电荷:
电子所带的电荷量，用e表示.
注意：
所有带电体的电荷量或者等于e，或者等于e的整数倍。
就是说，电荷量是不能连续变化的物理量。
电荷量e的值：
e=1.60×10-19C
比荷：
电子的电荷量e和电子的质量me的比值,为
C/㎏
【小结】
1、两种电荷及其相互作用、电荷量的概念、摩擦起电的知识，这些在初中都已经讲过，本节重点是讲述静电感应现象．要做好演示实验，使学生清楚地知道什么是静电感应现象．在此基础上，使学生知道，感应起电也不是创造了电荷，而是使物体中的正负电荷分开，使电荷从物体的一部分转移到另一部分．本节只说明静电感应现象。
2．在复习摩擦起电现象和讲述静电感应现象的基础上，说明起电的过程是使物体中正负电荷分开的过程，进而说明电荷守恒定律．
3．要求学生知道元电荷的概念，而密立根实验作为专题，有条件的学校可以组织学生选学．
第二节、库仑定律（1课时）
1、影响两电荷之间相互作用力的因素：
1．距离．2．电量．
2、库仑定律
内容表述：
力的大小跟两个点电荷的电荷量的乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比．作用力的方向在两个点电荷的连线上
公式：
静电力常量k=9.0×109N·m2/C2
适用条件：
真空中，点电荷——理想化模型
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．
3、库仑扭秤实验（1785年，法国物理学家．库仑）
实验技巧：
（1）．小量放大．
（2）．电量的确定．
【例题1】：
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
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的很多，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．
【小结】
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/64B．0C．3F/82 D．3F/16
2．如图14－1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________．
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．
第三节、电场电场强度
第3节电场电场强度
1、电场：
（1）电荷之间的相互作用是通过特殊形式的物质——电场发生的，电荷的周围都存在电场.
特殊性：
不同于生活中常见的物质，看不见，摸不着，无法称量，可以叠加.
物质性：
是客观存在的，具有物质的基本属性——质量和能量.
（2）基本性质：
主要表现在以下几方面
①引入电场中的任何带电体都将受到电场力的作用，且同一点电荷在电场中不同点处受到的电场力的大小或方向都可能不一样.
②电场能使引入其中的导体产生静电感应现象.
③当带电体在电场中移动时，电场力将对带电体做功，这表示电场具有能量.
可见，电场具有力和能的特征
2、电场强度（E）：
（1）关于试探电荷和场源电荷
检验电荷是一种理想化模型，它是电量很小的点电荷，将其放入电场后对原电场强度无影响
在电场中的同一点，电场力F与电荷电量q成正比，比值F/q由电荷q在电场中的位置所决定，跟电荷电量无关，是反映电场性质的物理量，所以我们用这个比值F/q来表示电场的强弱．
（2）电场强度
①定义：
电场中某一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．用E表示。
公式（大小）：
E=F/q（适用于所有电场）
单位：
N/C意义P13
提出问题：
电场强度是矢量，怎样表示电场的方向呢？
②方向性：
物理学中规定，电场中某点的场强方向跟正电荷在该点所受的电场力的方向相同．
负电荷在电场中某点所受的电场力的方向跟该点的场强方向相反．
◎唯一性和固定性
电场中某一点处的电场强度E是唯一的，它的大小和方向与放入该点电荷q无关，它决定于电场的源电荷及空间位置，电场中每一点对应着的电场强度与是否放入电荷无关.
带领学生总结出真空中点电荷周围电场的大小和方向．在此过程中注意引导学生总结公式E=F/q和E=kQ/r2的区别及联系．
3、（真空中）点电荷周围的电场、电场强度的叠加
（1）点电荷周围的电场
①大小：
E=kQ/r2（只适用于点电荷的电场）
②方向：
如果是正电荷，E的方向就是沿着PQ的连线并背离Q；如果是负电荷：
E的方向就是沿着PQ的连线并指向Q．（参见课本图14－7）
说明：
公式E=kQ/r2中的Q是场源电荷的电量，r是场中某点到场源电荷的距离．从而使学生理解：
空间某点的场强是由产生电场的场源电荷和该点距场源电荷的距离决定的，与检验电荷无关．
（2）电场强度的叠加原理：
某点的场强等于该点周围各个电荷单独存在时在该点产生的场强的矢量和．
【例题】（课本P9例题演变）在真空中有两个点电荷Q1=＋3.0×10-8C和Q2=－3.0×10-8C，它们相距0.1m，求电场中A点的场强．A点与两个点电荷的距离相等，r=0.1m
分析：
点电荷Q1和Q2的电场在A点的场强分别为E1和E2，它们大小相等，方向如图所示，合场强E在E1和E2的夹角的平分线上，此平分线跟Q1和Q2的连线平行．
解：
E=E1cos60°＋E2cos60°
=2E1cos60°=2kQ1cos60°/r2
代入数值得E=2.7×104N/C
可以证明：
一个半径为R的均匀球体（或球壳）在外部产生的电场，与一个位于球心的、电荷量相等的点电荷产生的电场相同，球外各点和电场强度一样
即：
E=kQ/r2
（1）关于静电平衡
（2）静电平衡后导体内部电场的特点：
①处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零（注意：
这时的场强是合场强，即外电场和感应电场的叠加）
②处于静电平衡状态的导体，电荷只分布在导体的外表面上。
4、电场线
（1）电场线：
电场线是画在电场中的一条条有方向的曲线，曲线上每点的切线方向表示该点的电场强度的方向。
（2）电场线的基本性质
①电场线上每点的切线方向就是该点电场强度的方向.
②电场线的疏密反映电场强度的大小（疏弱密强）.
③静电场中电场线始于正电荷或无穷远，止于负电荷或无穷远.它不封闭，也不在无电荷处中断.
④任意两条电场线不会在无电荷处相交（包括相切）
电场线是为了形象描述电场而引入的，电场线不是实际存在的线。
5、匀强电场
（1）定义：
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.
（2）匀强电场的电场线：
是一组疏密程度相同（等间距）的平行直线.例如，两等大、正对且带等量异种电荷的平行金属板间的电场中，除边缘附近外，就是匀强电场.如图14.3-1.
常见电场的电场线
电场
电场线图样
简要描述
正点电荷
发散状
负点电荷
会聚状
等量同号电荷
相斥状
等量异号电荷
相吸状
匀强电场
平行的、等间距的、同向的直线
（三）【小结】对本节内容做简要的小结
◎巩固练习
1．下列说法中正确的是：
[ABC]
A．只要有电荷存在，电荷周围就一定存在着电场
B．电场是一种物质，它与其他物质一样，是不依赖我们的感觉而客观存在的东西
C．电荷间的相互作用是通过电场而产生的，电场最基本的性质是对处在它里面的电荷有力的作用
2．下列说法中正确的是：
[BC]
A．电场强度反映了电场的力的性质，因此场中某点的场强与检验电荷在该点所受的电场力成正比
B．电场中某点的场强等于F/q，但与检验电荷的受力大小及带电量无关
C．电场中某点的场强方向即检验电荷在该点的受力方向
D．公式E=F/q和E=kQ/r2对于任何静电场都是适用的
3．下列说法中正确的是：
[ACD]
A．场强的定义式E=F/q中，F是放入电场中的电荷所受的力，q是放入电场中的电荷的电量
B．场强的定义式E=F/q中，F是放入电场中的电荷所受的力，q是产生电场的电荷的电量
C．在库仑定律的表达式F=kq1q2/r2中kq2/r2是电荷q2产生的电场在点电荷q1处的场强大小，此场对q1作用的电场力F=q1×kq2/r2，同样kq1/r2是电荷q1产生的电场在点电荷q2处的场强的大小，此场对q2作用的电场力F=q2×kq1/r2
D．无论定义式E=F/q中的q值（不为零）如何变化，在电场中的同一点，F与q的比值始终不变
4．讨论电场力与电场强度的区别于联系
1．在电场中某一点，当放入正电荷时受到的电场力向右，当放入负电荷时受到电场力向
左，下列说法正确的是：
[]
A．当放入正电荷时，该点的场强向右，当放入负电荷时，该点的场强向左
B．只有在该点放入电荷时，该点才有场强
C．该点的场强方向一定向右
D．以上说法均不正确
2．真空中，两个等量异种点电荷电量数值均为q，相距r．两点电荷连线中点处
的电场强度的大小为：
[]
A．B．2kq/r2C．4k/r2 D．8kq/r2
3．真空中，A，B两点上分别设置异种点电荷Q1、Q2，已知两点电荷间引力为10N，Q1=1.0×10-2C，Q2=2.0×10-2C．则Q2在A处产生的场强大小是________N/C，方向是________；若移开Q2，则Q1在B处产生的场强的大小是________N/C，方向是________．
说明
1．电场强度是表示电场强弱的物理量，因而在引入电场强度的概念时，应该使学生了解什么是电场的强弱，同一个电荷在电场中的不同点受到的电场力的大小是不同的，所受电场力大的点，电场强．
2．应当使学生理解为什么可以用比值F/q来表示电场强度，知道这个比值与电荷q无关，是反映电场性质的物理量．
用比值定义一个新的物理量是物理学中常用的方法，应结合学生前面学过的类似的定义方法，让学生领会电场强度的定义．
3．应当要求学生确切地理解E=F/q和E=kQ/r2这两个公式的含义，以及它们的区别和联系．
4．应用电场的叠加原理进行计算时不应过于复杂，一般只限于两个电场叠加的情形．通过这种计算，使学生理解场强的矢量性
5．电场线是为了形象描述电场而引入的，电场线不是实际存在的线。
第四节电势能、电势（2课时）
1．静电力做功的特点
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。
（1）q沿直线从A到B
（2）q沿折线从A到M、再从M到B
（3）q沿任意曲线线A到B
结果都一样即：
W=qELAM=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。
与重力做功类比，引出：
2．电势能
（1）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。
（2）静电力做功与电势能变化的关系：
静电力做的功等于电势能的变化量。
写成式子为：
注意：
①．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
②．电场力力做多少功，电势能就变化多少，在只受电场力作用下，电势能与动能相互转化，而它们的总量保持不变。
③．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，负电荷在任意一点具有的电势能都为正。
④．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
⑤．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。
⑥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。
关于电势能零点的规定：
P19（大地或无穷远默认为零）
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：
3．电势---表征电场性质的重要物理量度
通过研究电荷在电场中电势能与它的电荷量的比值得出。
（1）定义：
电荷在电场中某一点的电势能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：
（与试探电荷无关）
（3）单位：
伏特（V）
（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）
4．等势面
⑴．定义：
电场中电势相等的点构成的面
⑵．等势面的性质：
①．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
②．电场线跟等势面一定垂直，并且由电势高的等势面指向电势低的等势面。
③．等势面越密，电场强度越大
④．等势面不相交，不相切
⑶．等势面的用途：
由等势面描绘电场线。
⑷．几种电场的电场线及等势面
注意：
①等量同种电荷连线和中线上
连线上：
中点电势最小
中线上：
由中点到无穷远电势逐渐减小，无穷远电势为零。
②等量异种电荷连线上和中线上
连线上：
由正电荷到负电荷电势逐渐减小。
中线上：
各点电势相等且都等于零。
例题．如图所示，把一个架在绝缘支架上的枕形导体放在正电荷形成的电场中，导体处于静电平衡时，下叙说法正确的是[]
A．A、B两点场强相等，且都为零 B．A、B两点的场强不相等
D．当电键K闭合时，电子从大地沿导线向导体移动．
习题
5.a、b为电场中两点，且a点电势高于b点，则（）
A.把负电荷从a点移到b点电场力做负功，电势能增加
B.把正电荷从a点移到b点电场力做正功，电势能减少
C.无论移动的是正电荷还是负电荷，电荷的电势能都要减少
D.以上说法都不对
6.如图所示，在场强为E的匀强电场中有
相距为l的两点A、B两点，Q连线AB与
电场线的夹角为θ，将一电荷量为q的正
电荷从A点移到B点。
若沿直线AB移动
该电荷，电场力做功W1=______；若沿
路径ACB移动该电荷，电场力做功W2=______；若沿曲线ADB移动该电荷，电场力做功W3=______。
由此可知，电荷在电场中移动时，电场力做功的特点是________________________。
7.如图所示,实线为一匀强电场的电场线，一个带电粒子射入电场后，留下一条从a到b虚线所示的径迹，重力不计，下列判断正确的是（）
A.b点电势高于a点电势
B.粒子在a点的动能大于在b点的动能
C.粒子在a点的电势能小于在b点的电势能
D.场强方向向左
8.有一带电粒子沿图中的AB曲线穿过一匀强电场，a、b、c。
d均为匀强电场中的等势面，且电势UaA.粒子一定带负电
B.粒子的运动轨迹是抛物线
C.从A点运动到B点粒子的电势能增加
D.粒子的动能和电势能之和在运动过程中保持不变
9．如图，在真空中有两个点电荷A和B，电量分别为－Q和＋2Q，它们相距L，如果在两点电荷连线的中点O有一个半径为r（2r＜L）的空心金属球，且球心位于O点，则球壳上的感应电荷在O点处的场强大小_____方向____．
10．如图5所示，导体棒AB靠近带正电的导体Q放置．用手接触B端，移去手指再移去Q，AB带何种电荷______．若手的接触点改在A端，情况又如何______．
11．有一绝缘空心金属球A，带有4×10-6C的正电荷，一个有绝缘柄的金属小球B，带有2×10-6C的负电荷．若把B球跟A球的内壁相接触，如图6所示，则B球上电量为______C，A球上电量为_______C，分布在_______．
第五节、电势差
第5节、电势差
1、电势差
（1）定义：
电场中两点间电势的差值，也叫电压。
用
表示。
（2）公式：
或
①
所以有：
=-
②
注意：
电势差也是标量，可正，可负。
2、静电力做功与电势差的关系
电荷Q在电场中从A移动到B时，静电力做的功WAB等于电荷在A、B两点的电势能之差。
推导：
所以有：
或
③
即：
电场中A、B两点间的电势差等于电场力做的功与试探电荷Q的比值。
注意：
电场中A、B两点间的电势差跟移动电荷的路径无关，只与AB位置有关
6.正点电荷p固定，虚线所画同心圆表示等势线，一个带电粒子沿ab曲线运动．若不计重力，则粒子（）
A.带负电．B.从a到b,电场力对它做负功．
C.从a到b,电场力对它不做功．D.在a、b两点动能、电势能都相等．
7．将q=2X10-8C的正电荷从电场中的A点移到B点，电场力做功3X10-7J，从B点移到C点，电势能减少4X10-7J，从C点移到D点，克服电场力做功5X10-7J，则（）
A.A、C两点间电势差大小为5V．B.B、D两点间电势差大小为45V．
C.A与D两点间电势差大小为10V．D.A与D两点间电势差大小为60V．
8．带电量q＝-4X10-10C的电荷在电场中的A点具有的电势能εA＝-2X10-8J，在电场中的B点具有的电势能εB＝-6X10-8J，则下列判断正确的是（）
A.将电荷从A点移到B点，电场力做功6X10-8J．
B.将电荷从A点移到B点，克服电场力做功4X10-8JL
C.A与B两点间电势差大小为200V．
D.A与B两点间电势差大小为100V．
9．AB是某电场中的一条电场线，若将一负电荷从A点处自由释放，负电荷从A点沿电场线运动到B点，速度图线如图15-3所示．则A、B两点电势高低和场强的大小关系是（）
A.UA>UB，EA>EBB.UA>UB，EAC.UAEBD.UA11.一个10-5C的电荷从电扬外移到电场中A点，电场力做负功6X10-3J，A点电势UA=______;如果此电荷从电场外移到电场中另一点B，电场力做功0.02J，则A、B间电势差UAB=_____
12.一个带电质点电量为3x10-8C，逆着电场方向从A点移到B点，外力做功6X10-5J，在此过程中，质点动能增加了4.5X10-5J，问A与B两点间电势差大小为多少?
第六节、电势差与电场强度的关系
第七节、电容器与电容
第七节、电容器与电容
1、电容器
（1）构造：
任何两个彼此绝缘又相隔很近的导体都可以看成一个电容器。
（2）电容器的充电、放电
（3）充电现象：
从灵敏电流计可以观察到短暂的充电电流。
充电后,切断与电源的联系,两个极板间有电场存在,充电过程中由电源获得的电能贮存在电场中,称为电场能.
（4）放点现象:
从灵敏电流计可以观察到短暂的放电电流.放电后,两极板间不存在电场,电场能转化为其他形式的能量.
充电——带电量Q增加,板间电压U增加,板间场强E增加,电能转化为电场能
放电——带电量Q减少,板间电压U减少,板间场强E减少,电场能转化为电能
2、电容
与水容器类比后得出。
说明：
对于给定电容器，相当于给定柱形水容器，C（类比于横截面积）不变。
这是量度式，不是关系式。
在C一定情况下，Q=CU，Q正比于U。
（1）定义：
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。
（2）公式：
（3）单位：
法拉（F）还有微法（
F）和皮法（pF）1F=10-6
F=10-12pF
（4）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（由导体大小、形状、相对位置及电介质）决定的,与电容器是不是带电无关.
3、平行板电容器的电容
（1）静电计是在验电器的基础上制成的,用来测量电势差.把它的金属球与一个导体相连,把它的金属外壳与另一个导体相连,从指针的偏转角度可以量出两个导体之间的电势差U.
现象:
保持Q和d不变，S越小,静电计的偏转角度越大,U越大,电容C越小；
1．保持Q和S不变，d越大，偏转角度越小，C越小.
2．保持Q、d、S都不变,在两极板间插入电介质板,静电计的偏转角度并且减小,电势差U越小电容C增大.
（2）结论:
平行板电容器的电容C与介电常数ε成正比,跟正对面积S成正比,跟极板间的距离d成反比.
平行板电容器的决定式：
真空
介质
1．关于电容的说法中正确的是（）
A.由C＝Q／U可知．电容器的电容与它的带电量、两板间电压有关．
B.电容器带电量多，说明它容纳电荷的本领大．
C．由Q＝CU可知，当U增大时．Q可以无限
升级会员 