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第一章 静电场
一、库仑定律
知识要点
1.真空中两个点电荷之间相互作用的电力,跟它们的电荷量的乘积成正比,跟它们的距离的二次方成反比,作用力的方向在它们的连线上。即:
其中k为静电力常量, k=9.0×10 9 N?m2/c2
成立条件:
①真空中(空气中也近似成立);
②点电荷。即带电体的形状和大小对相互作用力的影响可以忽略不计。(这一点与万有引力很相似,但又有不同:对质量均匀分布的球,无论两球相距多近,r都等于球心距;而对带电导体球,距离近了以后,电荷会重新分布,不能再用球心距代替r)。
2.同一条直线上的三个点电荷的计算问题。
3.与力学综合的问题。
例题分析
A B C θθvtym,qv0+4Q
A B C
θ
θ
vt
y
m,q
v0
+4Q
-Q
解:①先判定第三个点电荷所在的区间:只能在B点的右侧;再由,F、k、q相同时∴rA∶rB=2∶1,即C在AB延长线上,且AB=BC。
②C处的点电荷肯定在电场力作用下平衡了;只要A、B两个点电荷中的一个处于平衡,另一个必然也平衡。由,F、k、QA相同,Q∝r2,∴QC∶QB=4∶1,而且必须是正电荷。所以C点处引入的点电荷QC= +4Q
OABmBgFNLd例2:已知如图,带电小球A、B的电荷分别为QA、QB,OA=OB,都用长L的丝线悬挂在O点。静止时A
O
A
B
mBg
F
N
L
d
A.将小球A、B的质量都增加到原来的2倍
B.将小球B的质量增加到原来的8倍
C.将小球A、B的电荷量都减小到原来的一半
D.将小球A、B的电荷量都减小到原来的一半,同时将小球B的质量增加到原来的2倍
解:由B的共点力平衡图知,而,可知,选BD
AB-Q-2Q例3:已知如图,光滑绝缘水平面上有两只完全相同的金属球A、B,带电量分别为-2Q与-Q。现在使它们以相同的初动能E0(对应的动量大小为p0)开始相向运动且刚好能发生接触。接触后两小球又各自反向运动。当它们刚好回到各自的出发点时的动能分别为E1和E2,动量大小分别为p1和p2。有下列说法:①E1=E2 E0,p1=p2 p0 ②E1=E2= E0,p1=p2= p
A
B
-Q
-2Q
A.②④ B.②③ C.①④ D.③④
解:由牛顿定律的观点看,两球的加速度大小始终相同,相同时间内的位移大小一定相同,必然在连线中点相遇,又同时返回出发点。由动量观点看,系统动量守恒,两球的速度始终等值反向,也可得出结论:两球必将同时返回各自的出发点。且两球末动量大小和末动能一定相等。从能量观点看,两球接触后的电荷量都变为-1.5Q,在相同距离上的库仑斥力增大,返回过程中电场力做的正功大于接近过程中克服电场力做的功,由机械能定理,系统机械能必然增大,即末动能增大。选C。
本题引出的问题是:两个相同的带电小球(可视为点电荷),相碰后放回原处,相互间的库仑力大小怎样变化?
讨论如下:①等量同种电荷,F /=F;②等量异种电荷,F /=0F;③不等量同种电荷F /F;④不等量异种电荷F /F、F /=F、F /F都有可能,当满足q1=(3±2)q2时F /=F。
例4:已知如图,在光滑绝缘水平面上有三个质量都是m的相同小球,两两间的距离都是l,A、B电荷量都是+q。给C一个外力F,使三个小球保持相对静止共同加速运动。求:C球的带电电性和电荷量;外力F的大小。
ABCFABFBFCBF解:先分析A、B两球的加速度:它们相互间的库仑力为斥力,因此C对它们只能是引力,且两个库仑力的合力应沿垂直与AB连线的方向。这样就把B受的库仑力和合力的平行四边形确定了。于是可得QC= -2q,F=3
A
B
C
FAB
FB
FCB
F
二、电场的性质
知识要点
电场的最基本的性质是对放入其中的电荷有力的作用,电荷放入电场后就具有电势能。
1.电场强度E是描述电场的力的性质的物理量。
⑴定义:放入电场中某点的电荷所受的电场力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这是电场强度的定义式,适用于任何电场。
②其中的q为试探电荷(以前称为检验电荷),是电荷量很小的点电荷(可正可负)。
③电场强度是矢量,规定其方向与正电荷在该点受的电场力方向相同。
⑵点电荷周围的场强公式是:,其中Q是产生该电场的电荷,叫场电荷。
⑶匀强电场的场强公式是:,其中d是沿电场线方向上的距离。
匀强
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