电荷库仑定律教学课件

电荷与库仑定律教学课件第一章电荷的基本认识电荷是电磁学的基础概念，理解电荷的特性对于掌握后续的物理现象和定律至关重要本章我们将探讨电荷的基本性质、分类以及在物质世界中的存在形式什么是电荷？电荷是物质的一种基本属性，与质量、能量等物理量一样，是描述物质特性的重要参数带电物体之间会产生电力作用，这种相互作用力构成了电磁现象的基础正电荷以质子为代表，约定电荷量为正值，带正电荷的物体在电场中受力方向与电场方向一致负电荷以电子为代表，约定电荷量为负值，带负电荷的物体在电场中受力方向与电场方向相反电荷的起电方式摩擦起电接触起电感应起电当两种不同材料相互摩擦时，电子可能带电体与不带电体接触时，电荷可以从带电体靠近但不接触导体时，导体内部从一种物质转移到另一种物质，使两者带电体转移到不带电体例如带电金电荷分布发生变化，通过适当方法可使分别带上正、负电荷例如梳子与头属球与中性金属球接触，电荷会重新分导体获得净电荷这种方式特别适用于发摩擦后，梳子获得负电荷，头发获得布，使两球带同种电荷给导体充电而不改变原带电体的电量正电荷电荷守恒定律电荷守恒定律是物理学中的基本定律之一，它揭示了自然界中电荷总量不变的规律在一个封闭系统内，电荷既不能被创造，也不能被消灭，总电荷量保持不变这一定律表明，当物体带电时，并非创造了新的电荷，而是电荷从一个物体转移到了另一个物体，系统内总电荷量不变电荷的产生与转移当毛皮与玻璃棒摩擦时，电子从玻璃棒转移到毛皮，使玻璃棒带正电，毛皮带负电这一过程完美展示了电荷转移的本质和电荷守恒原理第二章库仑定律的发现与实验基础库仑定律是电磁学的基本定律之一，揭示了带电体之间相互作用力的规律本章将介绍库仑定律的发现历程、实验基础以及其数学表达，帮助学生理解电荷间相互作用的本质库仑定律的历史背景1766年1785年约瑟夫·普利斯特里猜测电荷间的作用力可能遵循平方法国物理学家查尔斯·奥古斯丁·库仑设计并完成了著名反比定律，类似于牛顿万有引力定律的扭秤实验，精确测量了电荷间的作用力12341769年1785-1789年约翰·罗宾逊通过实验初步验证了电荷间力的平方反比库仑发表了一系列关于静电力研究的论文，正式提出关系，但精度有限并证实了静电力的平方反比定律，即库仑定律库仑扭秤实验装置库仑设计的扭秤是一个精巧的装置，用于测量极小的电荷间作用力•一根细银丝悬挂着一根水平放置的绝缘棒•绝缘棒一端固定带电小球A•另一带电小球B可从外部靠近小球A•通过测量绝缘棒的扭转角度，计算电荷间作用力大小•改变电荷量和距离，观察力的变化规律库仑通过系统改变两个电荷之间的距离和电荷大小，发现力的大小与电荷量乘积成正比，与距离平方成反比，从而得出了库仑定律库仑定律的实验基础库仑扭秤实验是物理学史上的经典实验，它巧妙地利用了扭转弹性原理来测量微小的静电力扭秤的灵敏度足以测量到极小的力，这使得库仑能够精确地验证电荷间作用力的规律库仑定律的内容力的大小力的方向两个静止点电荷间的相互作用力大小与电荷量乘力的方向沿着两电荷的连线，同种电荷相互排积成正比，与它们之间距离的平方成反比斥，异种电荷相互吸引作用与反作用比例常数两电荷间的相互作用力遵循牛顿第三定律，大小比例系数k是库仑常数，其值与所处介质有关，相等，方向相反在真空中为

9.0×10⁹N·m²/C²库仑定律数学表达式F静电力大小q₁,q₂电荷量单位牛顿（N）单位库仑（C）表示两点电荷间相互作用力的大小，不包含方向信息表示两个点电荷所带电荷的量，可正可负电子电荷量-

1.602×10⁻¹⁹Cr距离k库仑常数单位米（m）k=

9.0×10⁹N·m²/C²表示两点电荷中心之间的距离在真空中的值，与介质性质有关力的方向与符号说明同号电荷相互排斥异号电荷相互吸引当两个带电体带异种电荷时（一正一负），它们之间产生引力，力的方向沿连线相互靠近点电荷的理想化模型点电荷是一种理想化的物理模型，表示体积可以忽略不计的带电物体•假设所有电荷集中在一个几何点上•没有体积和形状，只有位置和电荷量•当带电体尺寸远小于计算距离时，可以近似为点电荷•简化计算，便于应用库仑定律实际应用中，当两个带电体之间的距离远大于它们的尺寸时，可以将它们视为点电荷例如，计算地球和月球之间的引力时，可以将它们视为质点库仑定律的适用条件静止电荷点电荷库仑定律仅适用于静止的电荷，对于运动电荷，需要考虑电磁感应产严格来说，库仑定律适用于理想的点电荷实际应用中，当带电体尺生的磁场效应寸远小于距离时，可近似为点电荷介质影响宏观应用完整形式的库仑定律包含介电常数，在非真空介质中，需要考虑介电库仑定律主要适用于宏观电荷系统，对于原子内部结构，需要结合量常数的影响F=k|q₁q₂|/r²/ε，其中ε为相对介电常数子力学理论分析点电荷模型与实际带电体的关系在实际应用中，当我们研究两个带电体之间的相互作用时，如果它们之间的距离远大于各自的尺寸，可以将它们近似为点电荷，直接应用库仑定律计算它们之间的静电力第三章库仑定律的应用与拓展本章将通过具体实例展示库仑定律的应用，加深对定律的理解，并探讨库仑定律在更广泛物理学领域的拓展和联系例题氢原子核与电子间的静电力与万有引力比较1在氢原子中，质子与电子间既存在静电引力，也存在万有引力通过计算和比较这两种力的大小，可以了解微观世界中主导粒子运动的力静电力计算已知条件•质子与电子距离r=

5.3×10⁻¹¹m（玻尔半径）•电子电荷量q₁=-

1.6×10⁻¹⁹C•质子电荷量q₂=+

1.6×10⁻¹⁹C万有引力计算•电子质量m₁=

9.1×10⁻³¹kg•质子质量m₂=

1.67×10⁻²⁷kg•万有引力常数G=

6.67×10⁻¹¹N·m²/kg²例题三个等电荷点电荷构成等边三角形的静电力计算2问题描述三个相同的点电荷（电荷量均为

2.0×10⁻⁶C）位于等边三角形的三个顶点，边长为

0.5m求其中一个电荷所受的静电力解题思路

1.分别计算来自其他两个电荷的静电力

2.利用力的叠加原理求合力

3.注意力的方向，正确使用矢量合成单个作用力计算力的叠加原理静电力具有叠加性，这是库仑定律应用的重要扩展当多个点电荷同时作用于某一电荷时，该电荷所受的合力等于各点电荷单独作用时产生的力的矢量和中心电荷受力数学表达式分力方向与其中，q₀是受力电荷，qᵢ是第i个作用电荷，rᵢ是它们之间的距离，eᵢ是从q₀指向qᵢ的单叠加计算步骤大小位向量（异种电荷）或相反方向（同种电荷）最终合力矢量合力各点电荷的分力矢量叠加法则（矢量和）库仑定律与万有引力的对比数学形式相似两者都是平方反比定律，数学形式几乎相同这种相似性暗示了自然界中力的普遍规律作用对象不同库仑定律作用于带电体，基本电荷是电子和质子；万有引力作用于有质量的物体，无论是否带电力的性质不同电荷可正可负，静电力可以是引力或斥力；而质量总为正值，万有引力只表现为引力作用强度差异库仑常数与真空介电常数库仑常数k与真空介电常数ε₀之间存在明确的数学关系其中•k=

9.0×10⁹N·m²/C²（库仑常数）•ε₀=

8.85×10⁻¹²C²/N·m²（真空介电常数）真空介电常数ε₀是电磁学中的基本常数，表示真空对电场的影响能力它不仅出现在库仑定律中，也是麦克斯韦方程组中的重要参数在介质中，库仑定律需要考虑介质的介电常数ε库仑定律的局限性静止电荷1仅适用于静止电荷运动电荷2运动电荷产生磁场，需要用完整的电磁理论描述相对论效应3高速运动电荷需考虑相对论效应，库仑定律需修正量子效应4微观粒子世界中，量子效应显著，经典库仑定律需由量子电动力学补充强电场环境5极强电场中可能导致真空极化，产生电子-正电子对，改变电场分布，使库仑定律失效微观粒子间的库仑力与万有引力在微观粒子世界中，库仑力是主导粒子相互作用的基本力，远远强于万有引力以氢原子为例，电子与质子之间的静电引力是维持原子结构的关键力，而它们之间的万有引力则小得可以忽略不计课堂练习题精选12计算题分析题两个点电荷分别带电+3μC和-5μC，相距

0.2m，求它们之间的静电四个相同的点电荷（电荷量均为+q）位于正方形的四个顶点，边长为力大小和方向若将它们之间的距离增加到

0.4m，静电力如何变a求正方形中心处的电场强度化？34综合题应用题三个点电荷A、B、C排成直线，AB=BC=dA带电+q，B带电-2q，卢瑟福散射实验中，α粒子（带+2e电荷）被金原子核（带+79e电C带电+q求B点电荷所受的合力荷）散射求α粒子与金原子核距离10⁻¹⁴m时所受的静电斥力，并计算其加速度（α粒子质量为

6.64×10⁻²⁷kg）实验演示建议库仑扭秤实验演示电荷分配实验通过现代化的扭秤模型或动画，重现库仑的经典实验，让学生直观理解库仑定律的发现过程静电力随距离变化的演示使用带电物体之间的吸引或排斥现象，展示当距离改变时力的变化可以设计带有测力计的装置，定量测量不同距离下的静电力使用电荷分配装置，演示当两个导体接触时电荷如何重新分布，验证电荷守恒原理并观察静电力的变化计算机模拟实验生活中的库仑力现象雷电放电静电吸附复印机工作原理云层与地面之间的巨大电势差导致电荷积累，当电干燥冬季，摩擦产生的静电会使衣物相互粘附，这复印机、激光打印机利用静电吸引原理工作光敏场强度超过空气的击穿强度时，产生雷电放电现是异种电荷间库仑引力的直接体现类似地，带静鼓带电，吸引碳粉颗粒形成图像，再通过加热使碳象这是库仑力在自然界中最壮观的表现之一电的塑料制品会吸附灰尘和轻小物体粉固定在纸上，这一过程的核心是库仑力的应用未来学习展望电场与电势磁场与电磁感应在库仑定律基础上，我们将学习电场概念，了解如何用场的观点描述电探索运动电荷产生的磁场，以及变化磁场产生的电场，理解电磁感应现荷的相互作用，以及电势能和电势的概念象，为理解电磁波做准备电磁波与光量子电动力学学习麦克斯韦方程组，理解电磁波的产生和传播，认识光的电磁波本了解经典电磁学的局限性，初步认识量子电动力学如何在微观尺度描述质，探索电磁波的各种应用电荷相互作用，以及虚粒子交换的力学图像课程小结库仑定律的应用与局限库仑定律的实验基础与数学表达•力的叠加原理多电荷系统中合力为矢电荷的基本性质•库仑扭秤实验验证静电力规律量和•电荷是物质的基本属性之一•静电力与电荷量乘积成正比，与距离平•与万有引力对比形式相似，强度差异•正负两种电荷，同种相斥，异种相吸方成反比巨大•电荷守恒定律封闭系统中总电荷量不•数学表达式F=k|q₁q₂|/r²•仅适用于静止点电荷，运动电荷需考虑变磁场•力的方向沿连线，同种相斥，异种相吸•起电方式摩擦起电、接触起电、感应•微观粒子世界需考虑量子效应起电谢谢聆听！欢迎提问与讨论本课回顾我们学习了电荷的基本性质、库仑定律的实验基础与数学表达式，以及其在实际问题中的应用作业布置完成课本习题1-5，并尝试解决一个实际生活中的静电现象问题，下节课分享讨论预习提示。