1、-1-第 2 章 电场与示波器-2-物质存在的空间形式有两种:一种是实体性物质(气、液、固态物体),另一种是能量性物质(电场、磁场、引力场等)。实体性物质占有排他性空间,而能量性物质可以共享空间但同样具有方向性等空间属性。电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质,是一种客观存在。电场具有通常物质所具有的力和能量等客观属性。电场的力的性质表现为:电场对放入其中的电荷有力的作用;电场的能的性质表现为:当电荷在电场中移动时,电场力对电荷做功。在这一章里让我们共同研究一下电场的性质吧!-3-2.1 探究电场的力的性质-4-1.知道电荷间的相互作用是通过电场实现的。知道场与实物是物质存在的两种形
2、式。2.理解电场强度的定义、公式、单位、方向。体会比值定义物理量的方法。3.能推导点电荷的电场强度公式,并能进行有关的计算。知道电场强度的叠加原理,并能应用这一原理进行简单的计算。4.知道电场线的定义和特点,会用电场线描述电场强度的大小和方向。-5-试着做一下:用在干燥的头发上刚梳过的塑料梳子靠近细水流,注意不要接触,你将会看到水流方向发生了变化,水流靠近梳子,你知道这是什么原因吗?提示:梳过的梳子由于摩擦而带上了电,在其周围产生了一种叫场的物质。而水分子是极性分子,即水分子的一端带部分正电荷,一端带部分负电荷,在电场中会有规则的排列,会被静电力所吸引。水流就是因为梳子上的电荷通过电场对水流产
3、生了力的作用而转向的。-6-一、电场-7-二、怎样描述电场1.试探电荷:用来检验电场是否存在及其强弱分布的电荷。是一种理想化模型。试探电荷的电荷量和尺寸都必须足够小,以致可忽略对原来电场的影响,同时又能确切地反映它在电场中的位置。2.场源电荷:产生电场的电荷,又叫源电荷。3.定量研究电场的力的性质 探究方案(控制变量法)把同一试探电荷 q 放在电场中的不同位置 在电场中的同一位置依次放上不同的试探电荷 探 究 方 案 示意图 -8-续表 探究过程 把电荷量为+q 的试探电荷分别放在 电 场 中 的 A、B、C 各 处(rA=3rC,rB=2rC),计算试探电荷受到的电场力 FA、FB、FC 把
4、电荷量分别为+q、+2q、+3q 的试探电荷依次放在电场中的同一点,计算试探电荷受到的电场力 Fq、2、3 结论 同一试探电荷 q 在电场中不同点受到的电场力不同(填“相同”或“不同”),其比值 也不同(填“相同”或“不同”)不同的试探电荷,在电场中同一点受到的电场力不同(填“相同”或“不同”),但比值 相同(填“相同”或“不同”)-9-4.电场强度(1)定义:放入电场中某一点的电荷受到的电场力 F 跟它的电荷量 q 的比值叫该点的电场强度,简称场强。(2)定义式:E=:电场力 国际单位:牛(N):电荷量 国际单位:库(C):电场强度 国际单位:牛/库(N/C)(3)单位:牛/库,符号 N/C
5、。-10-(4)方向:电场强度是矢量,规定某点电场强度的方向跟正电荷在该点所受的静电力的方向相同。负电荷在电场中某点所受的静电力的方向跟该点电场强度的方向相反。(5)物理意义:反映电场的强弱和方向,电场中某点的电场强度数值上等于单位正电荷在那里所受的电场力。(6)真空中点电荷的场强:E=k 2,其中 Q:场源电荷,r:电场中点到 Q 的距离。思考:用比值法定义物理量是物理学中常用的方法,你能想出几个用比值定义的物理量来吗?提示:如速度、加速度、角速度、功率等。-11-5.电场线(1)定义:在电场中的一些有方向的曲线,曲线上每点的切线表示该点的电场强度方向,这样的曲线就是电场线。(2)电场线的特
6、点电场线从正电荷或无穷远出发,终止于无穷远或负电荷。电场线在电场中不相交。在同一电场里,电场线密集的地方,场强大;电场线稀疏的地方,场强小。电场线不是实际存在的线,而是为了形象描述电场而假想的线。-12-(3)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 等量同种电荷 相斥状 -13-等量异种电荷 相吸状 匀强电场 平行的、等间距的、同向的直线(4)匀强电场:场强大小和方向都处处相同的电场。思考:电场线为什么不能相交?电场线是电荷运动的轨迹吗?提示:某点的电场方向是唯一的,所以电场线不能相交,电场线不是电荷的运动轨迹。-14-三、电场的叠加原理1.分析论证如
7、图,在真空中有两个相距为 l的点电荷+Q1、-Q2,且电荷量相等,空间某处A离开两点电荷的距离均为 r,用 E1、E2 分别表示点电荷+Q1、-Q2 单独存在时在 A点产生的电场强度,则 A点的合场强 EA 可以由 E1、E2 用平行四边形定则得到。2.电场的叠加原理电场中任何一点的总场强等于各个点电荷在该点各自产生的场强的矢量和。-15-注意:只有同时作用在同一区域内的电场才可以进行叠加。3.匀强电场中金属导体的电荷分布(1)静电平衡:导体中没有电荷定向移动的状态叫做静电平衡。(2)导体处于静电平衡时的特点导体内部的场强一定为零。在导体表面附近,电场线一定垂直于导体表面。电荷只分布在导体的外
8、表面。-16-思考:电工在进行高压作业时,穿的作业服是用铜丝编织的,为什么呢?提示:电工被铜丝编织的衣服所包裹,使体内电场强度保持为零,对人体起保护作用。-17-一、对电场强度概念及两个场强公式的理解1.对电场强度的理解(1)电场强度是用比值法定义的物理量,它仅由电场本身决定,与定义它的试探电荷的电荷量 q 及所受的静电力 F 无关。(2)只要场源电荷确定下来,场源电荷周围形成的电场也就确定下来,电场中某点的场强 E 与该点放不放试探电荷无关。(3)电场强度定义式 E=是从电场力的性质的角度量度电场强弱的。2.电场强度的两个计算公式 E=与 E=k2有什么不同?如何理解 E=k 2?-18-关
9、于电场强度的两个计算公式的对比 区别公式 公式分析 物理含义 引入过程 适用范围 E=q 是试探电荷,本式是测量或计算场强的一种方法 是电场强度大小的定义式 由 比 值 法 引入,E 与 F、q无 关,反 映 某点电场的性质 适用于一切电场 E=k2 Q 是场源电荷,它与 r 都是场强的决定因素 是真空中点电荷场强的决定式 由 E=和库仑定律导出 真空中的点电荷 -19-明确区分“场源电荷”和“试探电荷”。电场由场源电荷产生,某点的电场强度 E由场源电荷及该点到场源电荷的距离决定。E=不能理解成 E与 F 成正比,与 q 成反比。E=k2只适用于真空中的点电荷。-20-二、电场线1.电场线与带
10、电粒子在电场中的运动轨迹的比较 电场线 运动轨迹(1)电场中并不存在,是为研究电场方便而人为引入的。(2)曲线上各点的切线方向即为该点的场强方向,同时也是正电荷在该点的受力方向,即正电荷在该点产生加速度的方向。(1)粒子在电场中的运动轨迹是客观存在的。(2)轨迹上每一点的切线方向即为粒子在该点的速度方向,但加速度的方向与速度的方向不一定相同。-21-2.电场线与带电粒子运动轨迹重合的条件(1)电场线是直线。(2)带电粒子只受静电力作用,或受其他力,但方向沿电场线所在直线。(3)带电粒子初速度为零或初速度方向沿电场线所在的直线。三、等量同种电荷与等量异种电荷的电场 等量同种电荷 等量异种电荷 图
11、示 -22-电荷连线上 方向:从左到右,场强方向先向右再向左 方向:从左到右,场强方向始终向右 大小变化:中点处场强为零,从左到右场强先减小后增大 大小变化:中点处场强最小,从左到右场强先减小后增大 电 荷 连 线 的中垂线上 方向:沿着中垂线背离 O 点 方向:垂直于中垂线指向负电荷一侧 大小变化:中点处场强为零,无穷远处场强为零,从中点起向两边延伸,场强先增大后减小 大小变化:中点场强最大,从中点起向两边延伸,场强逐渐减小 -23-类型一 对电场强度概念的理解【例 1】电场中有一点 P,下列哪种说法是正确的()。A.若放在 P 点电荷的电荷量减半,则 P 点的场强减半B.若 P 点没有试探
12、电荷,则 P 点场强为零C.P 点场强越大,则同一电荷在 P 点所受静电力越大D.P 点的场强方向为试探电荷在该点的受力方向解析:电场中某点的场强,电场中某点的场强的大小和强弱,是由电场本身决定的,与放不放检验电荷及检验电荷所带电荷量无关,选项 A、B 错误;场强方向规定为正电荷在该处所受的电场力的方向,选项 D 错误。答案:C题后反思:电场强度和静电力是两个不同的概念,它们的决定因素、大小关系以及方向判定等均有各自的规律。要注意它们的区别。-24-类型二 电场强度的计算与叠加问题【例 2】如图所示,真空中,带电荷量分别为+Q 和-Q 的点电荷 A、B 相距 r,则:(1)两点电荷连线的中点
13、O 的场强如何?(2)在两点电荷连线的中垂线上,距 A、B 两点都为 r 的 O点的场强如何?点拨:分别求出+Q 和-Q 在某点的场强大小和方向,然后根据电场强度的叠加原理,求出合场强。-25-解析:(1)如图所示,A、B 两点电荷在 O 点产生的场强方向相同,由 OB。A、B两点电荷在 O 点产生的电场强度:EA=EB=(2)2=42所以 O 点的场强为:EO=EA+EB=82-26-(2)如图所示,EA=EB=2,由矢量图所形成的等边三角形可知,O点的合场强 EO=EA=EB=2,方向与 A、B 的中垂线垂直,指向 B。-27-答案:(1)82,方向由 OB(2)2,方向水平向右题后反思:
14、电场强度是矢量,如果空间中同时存在几个场源,则空间中某点的电场强度就是这几个场源单独存在时产生电场强度的矢量和。场强的合成也像力、速度等矢量一样,用平行四边形定则,而当几个矢量均在同一直线上时,可简化为代数加减法。-28-类型三 对电场线的理解和应用【例 3】某静电场中的电场线如图所示,带电粒子在电场中仅受电场力作用,其运动轨迹如图中虚线所示,由 M 运动到 N,以下说法正确的是()。A.粒子必定带正电荷B.粒子在 M 点的加速度大于它在 N 点的加速度C.粒子在 M 点的加速度小于它在 N 点的加速度D.粒子在 M 点的动能小于它在 N 点的动能-29-点拨:本题是由电场线和粒子运动轨迹判断
15、粒子运动情况的题目。其关键是抓住粒子受电场力的方向指向粒子轨迹弯曲的一侧(即凹侧)并沿电场线的切线方向。解析:根据电荷运动轨迹弯曲的情况,可以确定点电荷受电场力的方向沿电场线方向,故此点电荷带正电,A 选项正确。由于电场线越密,场强越大,点电荷受电场力就越大,根据牛顿第二定律可知其加速度也越大,故此点电荷在 N 点加速度大,C 选项正确,粒子从 M 点到 N 点,电场力做正功,根据动能定理得此点电荷在N 点动能大,故 D 选项正确。答案:ACD题后反思:这类问题首先要根据带电粒子轨迹弯曲方向,判断出受力情况,第二步把电场线方向、受力方向与电性相联系,第三步把电场线疏密和受力大小、加速度大小相联
16、系。-30-类型四 静电平衡下的导体【例 4】如图所示,长为 L 的金属杆原来不带电,在距其左端 r 处放一个电荷量为 q 的点电荷。问:(1)金属杆中点处的场强为多少?(2)金属杆上的感应电荷在杆中点处产生的场强为多大?点拨:正确理解“处于静电平衡状态的导体内部场强处处为零”的含义是解题的关键。-31-解析:导体处于静电平衡时内部场强处处为零,故金属杆中点处场强为零。所以 E 感-E=0,E 感=E=k(+2)2答案:(1)0(2)k(+2)2题后反思:导体在处于静电平衡时,导体内部的电场强度一定为零;在导体表面附近,电场线一定垂直于导体表面;并且,电荷只分布在导体的外表面。-32-类型五
17、静电场与力学的综合应用【例 5】如图所示,用 30 cm 的细线将质量为 410-3 kg 的带电小球 P 悬挂在 O点下,当空中有方向为水平向右、大小为 1104 N/C 的匀强电场时,小球偏转 37后处在静止状态。(g 取 10 N/kg)(1)分析小球的带电性质及所带电荷量。(2)若把细绳剪断,小球做什么性质的运动?点拨:根据平衡条件可确定小球受的电场力方向,从而确定小球的带电情况。剪断细线后,小球只受到重力和电场力两个力的作用,将会沿着这两个力合力的方向做匀加速运动。-33-解析:(1)对小球受力分析如图。所受静电力 F 与电场强度方向相同,所以小球带正电。由平衡条件知 Eq=mgta
18、n 37所以 q=310-6 C(2)由受力分析可知静电力恒定、重力恒定,故其合力亦恒定,F 合=cos37=54mg,剪断细绳后,小球将做初速度为零的匀加速直线运动,加速度为 a=合=54g=12.5 m/s2。-34-答案:(1)带正电 310-6 C(2)加速度为 12.5 m/s2 的匀加速直线运动题后反思:处理静电力与动力学综合问题仍是应用处理力学问题的方法,先分析受力及运动,然后列出牛顿第二定律方程求解。-35-1 关于电场强度和静电力,以下说法中正确的是()。A.电荷所受静电力很大,该点电场强度一定很大B.以点电荷为圆心,r 为半径的球面上各点的场强相同C.如空间某点的场强为零,
19、则试探电荷在该点受到的静电力也为零D.在电场中某点放入试探电荷 q,该点的场强为 E=;取走 q 后,该点场强仍然为E=-36-解析:由 F=qE 知,F 由 q 和 E 共同决定,F 很大,可能是因为 q 很大造成的,选项 A错误;由 E=k 2知,以点电荷为圆心,r 为半径的球面上各点的场强大小相同,但方向不同,选项 B 错误;由 F=qE 知,当 E=0 时,F=0,选项 C 正确;只要电场确定了,电场中某点的场强就是确定的,试探电荷 q 只是用来体现电场强弱的手段,它的有无,不会改变电场的客观性质,选项 D 正确。答案:CD-37-2(2011杭州高二检测)真空中距点电荷(电荷量为 Q
20、)为 r 的 A 点处,放一个带电荷量为 q Q 的点电荷,q 受到的电场力大小为 F,则 A 点的场强为()。A.B.C.k 2D.k2解析:由电场强度的定义知选项 B 正确;由点电荷的场强公式知选项 D 正确。答案:BD-38-3 如图所示,实线为不知方向的三条电场线,从电场中 M 点以相同速度飞出A、B 两个带电粒子,运动轨迹如图中虚线所示,则()。A.A 一定带正电,B 一定带负电B.A 的速度将减小,B 的速度将增大C.A 的加速度将减小,B 的加速度将增大D.两个粒子的动能一个增加一个减小-39-解析:因不知电场线的方向,故无法判断 A、B 的电性。由题图可知,A、B 初速度的方向
21、相同,而运动轨迹不同,说明 A、B 电性相反。电场力对二者均做正功,两粒子的动能都增加,B运动过程中电场线越来越密,所受的电场力越来越大,加速度越来越大,故选项 C 正确。答案:C-40-4(2011临沂高二检测)如图,真空中一条直线上有四点 A、B、C、D,AB=BC=CD,只在 A 点放一电荷量为+Q 的点电荷时,B 点电场强度为 E,若又将等量异号的点电荷-Q 放在 D 点,则()。A.B 点电场强度为34,方向水平向右B.B 点电场强度为54,方向水平向右C.BC 线段的中点电场强度为零D.B、C 两点的电场强度相同-41-解析:+Q 在 B点产生的场强 E=k2,方向向右,-Q 在
22、B点产生的场强 E=k(2)2=4,方向向右,则 B 点电场强度为 EB=E+E=54,方向向右,选项 B 正确;+Q 和-Q 在BC 线段的中点产生的电场强度方向都向右,不可能为零,选项 C 错误;+Q 在 C点产生的场强为 k(2)2=4,方向向右,-Q 在 C 点产生的场强为 k 2=E,方向向右,所以 C 点的场强也为54,方向向右,选项 D 正确。答案:BD-42-5 如图所示,质量为 m=2.010-3 kg 的小球用绝缘细线竖直挂于竖直方向的电场中,当小球的带电荷量为 q1=1.010-4 C 时,悬线中张力为 T1=1.510-2 N,则小球所在处场强为多大?当小球的带电荷量 q2=-1.010-4 C 时悬线中的张力 T2为多大?(g 取 10 N/kg)-43-解析:小球的重力 G=mg=2.010-2 N,由题意绳子拉力 T1=1.510-2 NG,故电场力 F 方向向上,且有 F+T1=mg 得 F=mg-T1=510-3 N,小球所在处场强E=510-3110-4 N/C=50 N/C。当 q2=-1.010-4 C 时,电场力 F=F=510-3 N。此时绳子中张力为T2=G+F=2.510-2 N。答案:50 N/C 2.510-2 N-44-本课结束 谢谢观看