高中物理教科版选修31第一章 静电场 学案1.docx

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高中物理教科版选修31第一章静电场学案1

学案1　电荷　电荷守恒定律

[学习目标定位]1.知道自然界中的两种电荷及其相互作用的性质.2.知道使物体带电的三种方式.3.掌握电荷守恒定律.4.掌握电荷量的概念及其单位；掌握元电荷的概念．

一、摩擦起电　两种电荷

1．电荷：

（1）自然界只存在两种电荷，分别是正电荷和负电荷．用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷，用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电荷．

（2）电荷间的相互作用规律：

同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引．

2．电荷量：

电荷的多少．其国际单位是库仑，用字母C表示．常用的电荷量单位还有微库（μC）和纳库（nC）.1μC＝10－6C,1nC＝10－9C.

3．元电荷：

最小的电荷量叫做元电荷，用e表示．所有带电体的电荷量或者等于e，或者是e的整数倍．

二、摩擦起电的解释

材料不同的两个物体互相摩擦之后会带电，是因为两个物体互相摩擦时，一个物体失去电子，另一个物体得到电子．失去电子的物体内部正电荷量的总和将大于负电荷量的总和，因而显示出带正电．同样的道理，得到电子的物体就显示出负电，而且两者的电荷量必然等值异号．

三、电荷守恒定律

电荷既不能被创造，也不能被消灭，它们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；在转移过程中，电荷的总量保持不变．

四、静电感应与感应起电

把电荷靠近不带电的导体，可以使导体带电的现象叫静电感应．我们称这种起电为感应起电.

一、摩擦起电　两种电荷

[问题设计]

在干燥的实验室里，用丝绸摩擦玻璃棒，发现玻璃棒能够吸引轻小的物体，这说明了什么？

答案　说明玻璃棒带上了电荷．

[要点提炼]

1．摩擦起电：

当两个物体相互摩擦时，一些束缚不紧的电子会从一个物体转移到另一个物体，于是原来呈电中性的物体由于得到电子而带负电，失去电子的物体则带正电．

2．电荷转移的实质是电子的转移，起电的过程是物体中正、负电荷的分离和电子的转移的过程，电荷的中和是正、负电荷结合的过程，此过程电荷并没有消失．

二、元电荷

[问题设计]

物体的带电荷量可以是任意的吗？

带电荷量可以是4×10－19C吗？

答案　物体的带电荷量不是任意的，它只能是1.6×10－19C的整数倍．由于4×10－19C是1.6×10－19C的2.5倍，所以带电荷量不能是4×10－19C.

[要点提炼]

1．所有带电体的带电荷量或者等于e，或者是e的整数倍．

2．质子和电子所带电荷量与元电荷相等，但不能说电子和质子是元电荷．

三、电荷守恒定律

[问题设计]

前面学习了三种不同的起电方式，其本质都是电子的得失．那么，在一个封闭的系统中电荷的总量能增多或减少吗？

答案　在一个封闭的系统中，电荷的总量保持不变．

[要点提炼]

1．电荷守恒定律的关键词是“转移”和“总量保持不变”．

2．导体接触带电时电荷量的分配与导体的形状、大小有关．若两个完全相同的金属小球的带电量分别为Q1和Q2，两小球接触后再分开，将平分电荷，两小球带电量都为Q＝

（式中电量Q1和Q2均包含它们的正负号）．

[延伸思考]

“电荷的中和”，是电荷消失了吗？

“中和”过程中电荷守恒定律还成立吗？

答案　不是．“电荷的中和”是指两个带等量异种电荷的物体，其带电量等量、异号，这时正、负电荷的代数和为零，这样两物体相互接触时，由于正、负电荷间的吸引作用，电荷发生转移，最后都达到电中性状态的一个过程，在此过程中电荷仍然守恒．

四、探究感应起电　接触起电

[问题设计]

如图1所示，取一对用绝缘柱支持的导体A和B，使它们彼此接触．起初它们不带电，贴在下部的金属箔片是闭合的．

图1

（1）把带正电荷的物体C移近导体A，金属箔片有什么变化？

（2）这时把A和B分开，然后移去C，金属箔片又有什么变化？

（3）再让A和B接触，又会看到什么现象？

（4）再把带正电物体C和A接触，金属箔片又有什么变化？

答案　

（1）C移近导体A，两侧金属箔片都张开；

（2）金属箔片仍张开，但张角变小；

（3）A、B接触，金属箔片都闭合；

（4）两侧金属箔片都张开．

[要点提炼]

1．感应起电：

当一个带电体靠近导体时，由于电荷之间相互吸引或排斥，导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体，使导体靠近带电体的一端带异种电荷，远离带电体的一端带同种电荷．

2．接触起电：

带电体与原来不带电的物体接触时，电荷从带电体转移到不带电的物体上．

3．感应起电和接触起电的实质都是自由电子的转移．

一、对三种带电方式的理解

例1

　关于摩擦起电现象，下列说法正确的是（　　）

A．摩擦起电现象使本来没有电子和质子的物体中产生了电子和质子

B．两种不同材料的绝缘体相互摩擦后，同时带上等量异号电荷

C．摩擦起电，可能是因为摩擦导致质子从一个物体转移到了另一个物体而造成的

D．丝绸摩擦玻璃棒时，电子从玻璃棒上转移到丝绸上，玻璃棒因质子数多于电子数而显正电

解析　摩擦起电的实质是由于两个物体的原子核对核外电子的束缚能力不相同，因而电子可以在物体间转移．若一个物体失去电子，其质子数就会比电子数多，我们说它带正电；若一个物体得到电子，其质子数就会比电子数少，我们说它带负电．

答案　BD

例2

　如图2所示，不带电的枕形导体的A、B两端各贴有一对金箔．当枕形导体的A端靠近一带电导体C时（　　）

图2

A．A端金箔张开，B端金箔闭合

B．用手触摸枕形导体后，A端金箔仍张开，B端金箔闭合

C．用手触摸枕形导体后，将手和C都移走，两对金箔均张开

D．选项A中两对金箔分别带异号电荷，选项C中两对金箔带同号电荷

解析　根据静电感应现象，带正电的导体C放在枕形导体附近，在A端出现了负电荷，在B端出现了正电荷，这样的带电并不是导体中有新的电荷，只是电荷的重新分布．金箔上带电相斥而张开．选项A错误．

用手触摸枕形导体后，B端不再是最远端，人是导体，人脚下的地球是最远端，这样B端不再有电荷，金箔闭合．选项B正确．

用手触摸枕形导体后，只有A端带负电，将手和C都移走，不再有静电感应，A端所带负电便会分布在整个枕形导体上，A、B端均带有负电，两对金箔张开．选项C正确．

从以上分析看出，选项D正确．

答案　BCD

二、对电荷守恒定律的理解

例3

　原来甲、乙、丙三物体都不带电，今使甲、乙两物体相互摩擦后，乙物体再与丙物体接触，最后，得知甲物体带正电荷1.6×10－15C，丙物体带电荷量的大小为8×10－16C．则对于最后乙、丙两物体的带电情况，下列说法中正确的是（　　）

A．乙物体一定带有负电荷8×10－16C

B．乙物体可能带有负电荷2.4×10－15C

C．丙物体一定带有正电荷8×10－16C

D．丙物体一定带有负电荷8×10－16C

解析　由于甲、乙、丙原来都不带电，甲、乙相互摩擦导致甲失去电子而带1.6×10－15C的正电荷，乙物体得到电子而带1.6×10－15C的负电荷；乙物体与不带电的丙物体相接触，从而使一部分负电荷转移到丙物体上，故可知乙、丙两物体都带负电荷，由电荷守恒可知乙最终带负电荷1.6×10－15C－8×10－16C＝8×10－16C，故A、D正确．

答案　AD

三、对元电荷的理解

例4

　下列关于元电荷的说法中正确的是（　　）

A．元电荷实质上是指电子和质子本身

B．一个带电体的带电荷量可以为205.5倍的元电荷

C．元电荷没有正负之分

D．元电荷e的值最早是由美国物理学家密立根通过实验测定的

解析　元电荷是指电子或质子所带电荷量的大小，但元电荷不是带电粒子，也没有电性之说，A项错误，C项正确；元电荷是最小的带电单位，所有带电体的带电荷量一定等于元电荷的整数倍，B项错误；元电荷的电荷量e的值最早是由美国物理学家密立根通过实验测定的，D项正确．

答案　CD

1．（对三种起电方式的理解）当用丝绸摩擦过的玻璃棒去接触验电器的金属球后，金属箔片张开．此时，金属箔片所带电荷的电性和起电方式是（　　）

A．正电荷B．负电荷

C．接触起电D．感应起电

答案　AC

2．（对元电荷的理解）保持知识产权，抵制盗版是我们每个公民的责任与义务．盗版书籍不但影响我们的学习效率，甚至会给我们的学习带来隐患．某同学有一次购买了盗版的物理参考书，做练习时，发现有一个带电质点的电荷量数据看不清，只能看清是9.________×10－18C，拿去问老师．如果你是老师，你认为该带电质点的电荷量可能是下列数据中的哪一个（　　）

A．9.2×10－18CB．9.4×10－18C

C．9.6×10－18CD．9.8×10－18C

答案　C

3．（对电荷守恒定律的理解）有两个完全相同的带电金属小球A、B，分别带有电荷量为QA＝6.4×10－9C、QB＝－3.2×10－9C，让两个带电金属小球接触，在接触过程中，电子如何转移，转移了多少个电子？

答案　电子由球B转移到球A　3.0×1010个

解析　在接触过程中，由于B球带负电，其上多余的电子转移到A球，中和A球上的一部分正电荷直至B球为中性不带电，同时，由于A球上有净正电荷，B球上的电子会继续转移到A球，直至两球带上等量的正电荷．

在接触过程中，电子由球B转移到球A.

接触后两小球各自的带电荷量QA′＝QB′＝

＝

C＝1.6×10－9C

共转移的电子电荷量为ΔQ＝－QB＋QB′＝3.2×10－9C＋1.6×10－9C＝4.8×10－9C

转移的电子数为n＝

＝

＝3.0×1010个

题组一　对三种起电方式的理解

1．下列关于电现象的叙述中正确的是（　　）

A．玻璃棒无论与什么物体摩擦都带正电，橡胶棒无论与什么物体摩擦都带负电

B．摩擦可以起电是普遍存在的现象，相互摩擦的两个物体总同时带等量的异号电荷

C．摩擦起电现象的本质是电子的转移，呈电中性的物体得到电子就一定显负电性，失去电子的物体就一定显正电性

D．摩擦起电的过程，是通过摩擦创造等量异号电荷的过程

答案　BC

解析　物体间通过摩擦做功，使电子获得能量摆脱原子核的束缚而发生转移，哪个物体会失去电子决定于其原子核对电子束缚能力的大小．因此，对同一物体与不同的物体摩擦，该物体可能带正电，也可能带负电，故A错误；但两物体摩擦时，一个物体得到多少电子，另一物体必定失去多少电子，故B正确；呈电中性的物体得到电子必定带负电，反之带正电，故C正确；摩擦起电并不是创造了电荷，而是电荷的转移，故D错误．

2.如图1所示，将带正电的球C移近不带电的枕形金属导体时，枕形导体上电荷的移动情况是（　　）

图1

A．枕形导体中的正电荷向B端移动，负电荷不移动

B．枕形导体中电子向A端移动，正电荷不移动

C．枕形导体中的正、负电荷同时分别向B端和A端移动

D．枕形导体中的正、负电荷同时分别向A端和B端移动

答案　B

解析　导体中自由电子可以自由移动，带正电荷的是原子核，不能移动．

3．如果天气干燥，晚上脱毛衣时，会听到”噼啪”的响声，还会看到电火花，产生这种现象的原因是（　　）

A．人身体上产生电流B．接触起电

C．摩擦起电D．感应起电

答案　C

题组二　对电荷守恒定律的理解

4．导体A带5q的正电荷，另一完全相同的导体B带－q的负电荷，将两导体接触一会后再分开，则导体B的带电荷量是（　　）

A．－qB．qC．2qD．4q

答案　C

5．M和N都是不带电的物体，它们互相摩擦后M带正电荷1.6×10－10C，下列判断中正确的是（　　）

A．在摩擦前M和N的内部没有任何电荷

B．摩擦的过程中电子从N转移到了M

C．N在摩擦后一定带负电荷1.6×10－10C

D．M在摩擦过程中失去了1.6×10－10个电子

答案　C

6.如图2所示，左边是一个原先不带电的导体，右边C是后来靠近的带正电的导体球．若用绝缘工具沿图示某条虚线将导体切开，分导体为A、B两部分，这两部分所带电荷量的数值分别为QA、QB，则下列结论正确的有（　　）

图2

A．沿虚线d切开，A带负电，B带正电，且QA>QB

B．只有沿虚线b切开，才有A带正电，B带负电，且QA＝QB

C．沿虚线a切开，A带正电，B带负电，且QA＜QB

D．沿任意一条虚线切开，都有A带正电，B带负电，而QA、QB的值与所切的位置有关

答案　D

解析　静电感应使得A带正电，B带负电．导体原来不带电，只是在带正电的导体球C静电感应的作用下，导体中的自由电子向B部分转移，使B部分带了多余的电子而带负电，A部分少了电子而带正电．根据电荷守恒定律，A部分移走的电子数目和B部分多余的电子数目是相同的，因此无论从哪一条虚线切开，两部分的电荷量总是相等的，电子在导体上的分布不均匀，越靠近右端负电荷密度越大，越靠近左端正电荷密度越大，所以从不同位置切开时左、右两部分所带电荷量的值QA、QB是不同的，故只有D正确．

7．有三个相同的金属小球A、B、C，其中小球A带有2.0×10－5C的正电荷，小球B、C不带电，现在让小球C先与球A接触后取走，再让小球B与球A接触后分开，最后让小球B与小球C接触后分开，最终三球的带电荷量分别为qA＝________C，qB＝________C，qC＝________C.

答案　5×10－6　7.5×10－6　7.5×10－6

题组三　对元电荷的理解

8．下列说法中正确的是（　　）

A．元电荷是电子所带的电荷量

B．所有带电体的电荷量一定等于元电荷的整数倍

C．物体所带电荷量可以是任意值

D．元电荷的值通常取e＝1.60×10－19C

答案　BD

解析　所有带电体的电荷量或者等于e，或者是e的整数倍，这就是说，电荷量是不能连续变化的物理量．由以上分析可知正确选项为B、D.

9．带电微粒所带的电荷量不可能是下列值中的（　　）

A．2.4×10－19CB．－6.4×10－19C

C．－1.6×10－18CD．4.0×10－17C

答案　A

解析　任何带电体所带的电荷量都只能是元电荷的整数倍，元电荷为e＝1.60×10－19C，选项A中电荷量为

e，B中电荷量为－4e，C中电荷量为－10e，D中电荷量为250e.B、C、D选项中的电荷量数值均是元电荷的整数倍，所以只有选项A是不可能的．

题组四　验电器及电荷间的相互作用

10．使带电的金属球靠近不带电的验电器，验电器的箔片张开．下列四个图表示验电器上感应电荷的分布情况，其中正确的是（　　）

答案　B

解析　由于验电器原来不带电，因此，验电器的金属球

和箔片带等量异号电荷，A、C两项错误．验电器靠近带电金属球的一端感应出与带电金属球异号的电荷，D项错误．

11.绝缘细线上端固定，下端悬挂一轻质小球a，a的表面镀有铝膜，在a的近旁有一绝缘柱支持的金属球b，开始时a、b不带电，如图3所示，现使b球带电，则（　　）

图3

A．a、b之间不发生相互作用

B．b将吸引a，吸在一起不分开

C．b立即把a排斥开

D．b先吸引a，接触后又把a排斥开

答案　D

解析　b球带电就能吸引轻质小球a，接触后电荷量重新分配，那么a、b球带同种电荷，然后相互排斥．题中“近旁”表示能吸引并能接触．D对．

12．挂在绝缘细线下的两个轻质小球，表面镀有金属薄膜，由于电荷的相互作用而靠近或远离，分别如图4甲、乙所示，则（　　）

图4

A．甲图中两球一定带异种电荷

B．乙图中两球一定带同种电荷

C．甲图中两球至少有一个带电

D．乙图中两球只有一个带电

答案　BC

解析　题目中的小球都是镀有金属薄膜的轻质小球，带电物体具有吸引轻小物体的性质，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，所以可以判断出题图甲的现象可能是两个带异种电荷的小球，也可能是一个小球带电而另一个小球不带电；两个小球由于相互排斥而出现题图乙中的现象，则必须都带电且是同种电荷．