2019-2020年高中物理 1.2《探究静电力》学案(粤教版选修3-1)

探究静电力 学案

【例1】一根置于水平面上的光滑玻璃管（绝缘体），内部有两个完全相同的弹性金属球A 、B ，带电量分别为9Q 和－Q ，从图示位置由静止开始释放，问：两球再次经过图中位置时，两球的加速度是释放时的多少倍？

【解析】弹性金属小球在玻璃管中的运动过程是这样的：（1）在它们之间库仑引力作用下的相向加速运动，由于两球完全相同，故它们在任意时刻加速度的大小相等；（2）碰撞过程中电荷量的重新分配，结果是两球带上了等量同种电荷；（3）在它们之间库仑斥力作用下的反方向的加速运动，在任意时刻加速度的大小仍相等。

设：图示位置A 、B 两球的距离为r ，球的质量为m ，它们之间相互作用的库仑力大小为F 1，则：

此时A 、B 两球加速度的大小为：a A ＝a B ＝F 1/m ＝

碰撞后A 、B 两球的带电量均为4Q ，它们再次经过图示位置时的库仑斥力的大小为F 2，则：

此时A 、B 两球加速度的大小为：a A ’＝a B ’＝F 2/m ＝

故两球再次经过图中位置时，两球的加速度是释放时的倍。

【例2】如图所示，一个半径为R 的圆环均匀带电，ab 是一个极小的缺口，缺口长为L （L<

【解析】首先讨论一个封闭圆环的情形。如图a 所示，在圆环上任意取两个对称的点（很小的一段圆弧）P 、Q ，P 点对圆心处的负电荷的引力为F P ，Q 点对圆心处的负电荷的引力为F Q ，由库仑定律可知，这两个力一定大小相等，且方向相反，合力为零。同理可知，在圆上任何一点都有与之对称的点，它们对圆心处的负电荷的合力均为零。而圆环正是由无数对这样的点组成。不难确定，圆环中心处的点电荷受力为零。

再讨论题中的情形，如图所示，只有与ab 缺口相对的那一部分圆弧没有与之对称的部分存在。因此，处于圆心处的负电荷受到的力就是与缺口ab 对称的a ’b ’对它的引力。 A ’b ’（L<

q Q k F L -==π 受力方向为：圆心O 指向a ’b ’。

【例3】如图所示，用线把小球A 悬于O 点，静止时恰好与另一固定小球B 接触。今使两球带同种电荷，悬线将偏离竖直方向某一角度θ1，此时悬线中的张力大小为T 1；若增加两球的带电量，悬线偏离竖直方向的角度将增大为θ2，此时悬线中的张力大小为T 2，则：

A 、T 1

B 、T 1＝T 2

C 、T 1>T 2

D 、无法确定

【解析】本题应当从小球的受力分析出发寻求正确的答案。

解法1：在悬线偏离竖直方向某一角度θ时，小球A 的受力情况如图a 所示，重力mg 方向竖直向下，悬线拉力T 沿悬线方向与竖直方向的夹角为θ，两球间的库仑斥力F 沿两球的连线方向，由几何关系确定F 与水平方向的夹角为θ/2。

沿水平和竖直两个方向对小球A 所受力进行正交分解，并由平衡条件得：

Fcos θ/2－Tsin θ＝0 (1)

Fsin θ/2＋Tcos θ－mg ＝0 (2)

由（1）、（2）两式可解得：T ＝mg (3)

（3）式表明：悬线中的张力与悬线和竖直方向的夹角θ无关。

【答案】B

解法2：小球A 的受力情况如图b 所示，重力mg 、悬线张力T 、库仑斥力F ，这三个力的合力为0。因此这三个力构成封闭的力的三角形，且正好与几何三角形OAB 相似，有：

因为OA ＝OB ，所以T ＝mg 。即T 与θ无关。故选B 。

【例4】如图1所示用两根等长的绝缘细线各悬挂质量分别为m A 和m B 的小球，悬点为O ，两小球带同种电荷，当小球由于静电力作用张开一角度时，A 球悬线与竖直线夹角为α，B 球悬线与竖直线夹角为β，如果α=30°，β=60°，求两小球m A 和m B 之比。

[分析]A 、B 分别受三个力，如图2所示。各处于平衡状态，若选O 点为转轴，则与解

题无关的未知力T A 、T B 可以巧妙地避开（其力矩为O ）用有固定转轴的物体平衡条件

可解。

[解]

解法1：用隔离法，分别取A、B为研究对象，选O为转轴，则

对A：m A gL A=F电L电

对B：m B gL B=F电L电

解法2：用整体法若将两根悬线和小球A、B作为一个整体，则球和绳之间的相互作用力、静电力均为内力，对解题带来方便。

[解答]取两根悬线和小球A、B组成的系统作为研究对象，，系统受到重力m A g和m B g

受到悬点O的拉力T A’和T B’。以悬点O为固定转动轴，系统为G A和G B的力矩作用下处于平衡状态，有M A=M B得

2019-2020年高中物理 1.2《探究静电力》学案（粤教版选修3-1）

[说明]1.本例属于包括静电力在内物体（或物体系）的平衡问题，解决这类问题可用共点力的平衡，和有固定转轴的物体平衡条件解决，当题目涉及许多与解题无直接关系的未知力时，巧妙选取转轴使这些未知力的力矩为零，然后运用有固定转轴的物体平衡条件，可很方便地解决。

2.解决物体系的相互作用问题时，一般可同时使用隔离法和整体法。一般说来使

用后者可简化过程，简捷巧妙地解决问题。

3.整体法的适用情况：①当只涉及研究系统而不涉及系统内某些物体的力和运动

时，可整体分析对象。②当只涉及研究运动的全过程而不涉及某段运动时，可整体分析过程。③当运用适用于系统的物理规律（如动量守恒定律、机械能守恒定律）解题时，可整体分析对象和整体分析运动全过程的初末态。④当可采用多种方法解题时，可整体优化解题方法。⑤整体法不仅适用于系统内各物体保持相对静止或匀速直线运动，而且也适用于各物体间有相对加速度的情况。

运用整体法解题的基本步骤：

①明确研究的系统和运动的全过程。

②画出系统地受力图和运动全过程的示意图。

【基础练习】

一、选择题：

1、把两个完全相同的金属球A和B接触一下，再分开一段距离，发现两球之间互相排斥，则

A、B两球原来的带电情况可能是：（）

A、带等量异种电荷

B、带等量同种电荷

C、带不等量异种电荷

D、一个带电，另一个不带电

2、两个点电荷A和B距离恒定，当其它点电荷移到A、B附近时，A、B之间的库仑力将：（）