高中物理人教版电荷及其守恒定律.docx

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高中物理人教版电荷及其守恒定律

第1节

电荷及其守恒定律

1.自然界中有两种电荷，富兰克林把它们命名为正、负电荷，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。

2．使物体带电的方式有三种：

摩擦起电、感应起电、接触起电，这三种起电方式本质都是电子的转移，起电的过程遵循电荷守恒定律。

3．用橡胶棒与毛皮摩擦，毛皮带正电，用丝绸与玻璃棒摩擦，玻璃棒带正电，可以记为：

“毛玻璃带正电”。

4．电子或质子所带的电荷量是最小的电荷量，这个电荷量叫元电荷，用e表示，e＝1.60×10－19C。

5．两个完全相同的带电小球相互接触后总电荷平均分配。

如果两个小球带异种电荷，则先中和再均分。

一、电荷及三种起电方式

1．物质的电结构

原子由带正电的原子核和带负电的核外电子组成，原子核的正电荷的数量跟核外电子的负电荷的数量相等，所以整个原子对外界较远位置表现为电中性。

金属原子中离原子核较远的电子，往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由活动，这种能自由活动的电子叫做自由电子，失去电子的原子便成了带正电的离子。

2．两种电荷及其相互作用规律

自然界中只有两种电荷，富兰克林把用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷命名为正电荷，把用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷命名为负电荷，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。

3．三种起电方式

（1）接触起电：

指一个不带电的金属导体跟另一个带电的金属导体接触后分开，而使前者带上电荷的方式。

（2）摩擦起电：

由于相互摩擦的物体间的电子的得失而使原来不带电的物体分别带上等量异种电荷。

（3）感应起电：

把一带电物体靠近导体使导体带电的方式。

如图111所示，将带电体C去靠近相互接触的导体A、B，由于同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，导体A、B上分别带上等量异种电荷，这时先把A、B分开，然后移去C，则A和B两导体上分别带上了等量异种电荷。

图111

二、电荷守恒定律及元电荷

1．电荷守恒定律

（1）内容：

电荷既不会创生，也不会消灭，它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，这个结论叫做电荷守恒定律。

（2）另一种表述：

一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。

2．元电荷

（1）电荷量：

用来表示电荷的多少。

其单位是“库仑”，简称“库”，用C表示。

（2）元电荷

①最小的电荷量叫做“元电荷”，用e表示，则e＝1.60×10－19C。

②对元电荷的三点理解：

a.元电荷没有正、负之分，也不是实物粒子；b.质子及电子所带电荷量的绝对值与元电荷相等，但不能说它们是元电荷；c.电荷量不能连续变化，自然界中带电体的电荷量都是元电荷e的整数倍。

3．比荷：

电荷量与质量的比。

电子的比荷为

＝1.76×1011C/kg。

1．自主思考——判一判

（1）丝绸与任何物体摩擦后都带负电。

（×）

（2）两物体摩擦后，一定带等量异种电荷。

（×）

（3）将带电体靠近验电器金属球和带电体与验电器金属球接触，验电器箔片都会张开，但二者本质不同。

（√）

（4）元电荷实质上是指电子和质子本身。

（×）

（5）一个带正电的金属球与一个不带电的金属球接触，带正电的金属球电荷量减少是因为带正电金属球的部分正电荷转移到不带电的金属球中。

（×）

2．合作探究——议一议

（1）不带电的物体内部是否有电荷？

提示：

不带电的物体内部有电荷，正负电荷电量相同，故对外不显电性。

（2）带有等量异号电荷的金属球接触后会发生电荷的中和，此时电荷被消灭了吗？

提示：

中和时，系统所带电荷的代数和不变，电荷并没有消失，只是正、负电荷数相等，从而对外显电中性。

三种起电方式

1．三种起电方式的比较

摩擦起电

感应起电

接触起电

产生条件

两种物体摩擦

导体靠近带电体

导体与带电体接触

现象

两物体带上等量异种电荷

导体两端出现等量异种电荷，且电性与原带电体“近异远同”

导体带上与带电体相同电性的电荷

原因

不同物质的原子核对核外电子的束缚力不同而发生电子得失

导体中的自由电子受带正（负）电物体吸引（排斥）而靠近（远离）

自由电荷在带电体与导体之间发生转移

2．三种起电方式的本质

三种起电方式都不是创造了电荷，只是电荷从一个物体转移到了另一个物体，或者从物体的一部分转移到了另一部分，它们的本质都是电荷的转移，电荷总量保持不变。

[典例]　（多选）如图112所示，A、B为相互接触并用绝缘支柱支持的金属导体，起初都不带电，在它们的下部贴有金属箔片，C是带正电的小球，下列说法正确的是（　　）

图112

A．把C移近导体A时，A、B上的金属箔片都张开

B．把C移近导体A，先把A、B分开，然后移去C，A、B上的金属箔片仍张开

C．把C移近导体A，先把C移走，再把A、B分开，A、B上的金属箔片仍张开

D．把C移近导体A，先把A、B分开，再把C移走，最后重新让A、B接触，A上的金属箔片张开，而B上的金属箔片闭合

[解析]　A、B开始都不带电，把C移近导体A时，由于静电感应，A、B中的自由电子向左移动，使得A端积累负电荷，B端积累正电荷，所以两边的金属箔片都张开，A对；若此时先把A、B分开再移走C，因A、B已经绝缘，所带电荷量不会变，金属箔片仍张开，B正确；但如果先移走C，A、B上的感应电荷会马上中和，不再带电，所以金属箔片都不会张开，C错误；先把A、B分开，再移走C，A、B仍然带电，但重新让A、B接触后，A、B上的感应电荷完全中和，金属箔片都不会张开，D错误。

[答案]　AB

（1）只有导体中的电子才能自由移动，绝缘体中的电子不能自由移动，所以导体能够发生感应起电，而绝缘体不能。

（2）凡是遇到接地问题时，该导体与地球可视为一个导体，而且该导体可视为近端，带异种电荷，地球就成为远端，带同种电荷。

1．两金属小球所带电荷量分别为＋3Q和－Q，将两小球接触后，它们所带的电荷量一共为（　　）

A．＋3Q　　　　　　　　　　B．＋2Q

C．＋QD．－Q

解析：

选B　由电荷守恒定律知，两小球接触后带电荷量的总量为中和后剩余量，即Q总＝＋3Q－Q＝＋2Q，故选项B正确。

2．（多选）用棉布分别与丙烯塑料板和乙烯塑料板摩擦，实验结果如图113所示，由此对摩擦起电的说法正确的是（　　）

图113

A．两个物体摩擦时，表面粗糙的易失去电子

B．两个物体摩擦起电时，一定同时带上种类及数量不同的电荷

C．两个物体摩擦起电时，带上电荷的种类不同但数量相等

D．同一物体与不同种类物体摩擦，该物体的带电荷种类可能不同

解析：

选CD　两物体摩擦时得失电子取决于原子核对电子的束缚力大小，A错；由于摩擦起电的实质是电子的得失，所以两物体带电种类一定不同，数量相等，B错，C对；由题中例子不难看出同一物体与不同种类物体摩擦，带电种类可能不同，D正确。

3.如图114所示，用起电机使金属球A带正电，靠近验电器B，则（　　）

图114

A．验电器的金属箔片不张开，因为球A没有和B接触

B．验电器的金属箔片张开，因为整个验电器都带上了正电

C．验电器的金属箔片张开，因为整个验电器都带上了负电

D．验电器的金属箔片张开，因为验电器下部的两金属箔片都带上了正电

解析：

选D　带正电的A球靠近验电器B，据电荷“同性斥、异性吸”的特点知，验电器金属杆下端箔片中的电子会被A球上的正电荷吸引到验电器上端，则金属杆下端的箔片就会因带正电荷而相斥，使箔片张开，故选D。

电荷守恒定律的理解及应用

1．“中性”与“中和”的理解

（1）中性：

物体内有电荷存在，但正、负电荷的绝对值相等，对外不显电性。

（2）中和：

两个带有等量异种电荷的带电体相遇达到电中性的过程。

2．守恒的广泛性

电荷守恒定律同能量守恒定律一样，是自然界中最基本的规律，任何电现象都不违背电荷守恒定律，也涵盖了近代物理实验发现的微观粒子在变化中遵守的规律。

如：

由一个高能光子可以产生一个正电子和一个负电子，一对正、负电子可同时湮灭，转化为光子。

在这种情况下，带电粒子总是成对产生或湮灭，电荷的代数和不变。

3．两金属导体接触后电荷量的分配规律

（1）当两个导体材料、形状不同时，接触后再分开，只能使两者均带电，但无法确定电荷量的多少。

（2）若使两个完全相同的金属球带电荷量大小分别为q1、q2，则有

①

⇒

⇒

⇒

②

⇒

⇒

⇒

1．（多选）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，发现两球之间相互排斥。

则A、B两球原来的带电情况可能是（　　）

A．带有等量异种电荷　B．带有不等量异种电荷

C．带有等量同种电荷D．一个带电，另一个不带电

解析：

选BCD　两个完全相同的金属球若带有等量的异种电荷，接触后将均不带电，若带同种电荷，或一个带电，另一个不带电，接触后均带同种电荷，两球间存在相互排斥力，故B、C、D均正确，A错误。

2．目前普遍认为，原子核中的质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的，u夸克带电荷量为＋

e，d夸克带电荷量为－

e，e为元电荷。

下列论断中可能正确的是（　　）

A．质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成

B．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成

C．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成

D．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成

解析：

选B　质子带一个单位正电荷，中子不带电，设质子中u夸克、d夸克个数分别是x、y，x、y取正整数，

则x×

e＋y×

＝1，解得x＝2、y＝1；

设中子中u夸克、d夸克个数分别是m、n，m、n取正整数，则m×

＋n×

＝0，解得m＝1、n＝2，故选B。

3．有两个完全相同的带电绝缘金属小球A、B，分别带有电量QA＝6.4×10－9C，QB＝－3.2×10－9C，让两绝缘金属小球接触，接触后A、B所带的电荷量各是多少？

在接触过程中，电子如何转移并转移了多少？

解析：

当两小球接触时，带电量少的负电荷先被中和，剩余的正电荷再重新分配。

由于两小球相同，剩余正电荷必均分，即接触后两小球带电量QA′＝QB′＝

＝

C＝1.6×10－9C。

在接触过程中，电子由B球转移到A球，不仅将自身电荷中和，且继续转移，使B球带QB′的正电，这样，共转移的电子电量为ΔQ＝－QB＋QB′＝3.2×10－9C＋1.6×10－9C＝4.8×10－9C。

故转移的电子数n＝

＝

＝3.0×1010（个）。

答案：

均为1.6×10－9C　电子由B球转移到了A球，共转移了3.0×1010个

1．对物体带电现象的叙述，正确的是（　　）

A．不带电的物体一定没有电荷

B．带电物体一定具有多余的电子

C．一根带电的导体棒放在潮湿的房间时，过了一段时间后，发现导体棒不带电了，该过程中电荷不守恒

D．摩擦起电实际上是电荷从一个物体转移到另一个物体

解析：

选D　物体不带电是因为所带的正电荷和负电荷的电荷量相等，所以不显电性，故选项A错误；物体带正电，是因为所带正电荷的电荷量大于负电荷的电荷量，物体带负电是因为所带负电荷的电荷量大于正电荷的电荷量，故选项B错误；带电导体棒放在潮湿房间里，经过一段时间后不带电了是因为电荷转移到其他物体上了，电荷仍然守恒，故选项C错误；根据摩擦起电的实质可知选项D正确。

[释义]云气和雾气彻底消散。

2．关于摩擦起电和感应起电的实质，下列说法正确的是（　　）

A．摩擦起电现象说明了机械能可以转化为电能，也说明通过做功可以创造电荷

B．摩擦起电说明电荷可以从一个物体转移到另一个物体

C．感应起电说明电荷不能从物体的一部分转移到物体另一部分

D．感应起电说明电荷从带电的物体转移到原来不带电的物体上去了

解析：

选B　摩擦起电现象说明机械能可以转化为电能，但并没有创造电荷，电荷只是发生转移，故A错误。

摩擦起电的实质是电子从一个物体转移到另一个物体，即说明了电荷可以从一个物体转移到另一个物体，故B正确。

感应起电过程电荷在电场力作用下，从物体的一部分转移到另一部分，故C错误。

电荷可以从带电的物体转移到原来不带电的物体是接触带电，故D错误。

3．不带电的金属球A与带正电的金属球B接触后也带正电，原因解释正确的是（　　）

A．B有部分正电荷转移到A球上

B．A有部分正电荷转移到B球上

C．A有部分电子转移到B球上

D．B有部分电子转移到A球上

解析：

选C　原来金属球A不带电，对外显电中性，金属球A与带正电的金属球B接触时，带正电金属球B夺得电子的本领大于不带电的金属球A，带正电的金属球B夺得电子，金属球A失去电子带正电。

故C正确，A、B、D错误。

4．（多选）M和N是两个都不带电的物体。

它们互相摩擦后，M带正电荷2.7×10－9C，下列判断正确的有（　　）

A．在摩擦前M和N的内部没有任何电荷

B．摩擦过程中电子从M转移到N

C．N在摩擦后一定带负电荷2.7×10－9C

D．M在摩擦过程中失去1.7×1010个电子

解析：

选BCD　在摩擦前，物体内部存在着等量的异种电荷，对外不显电性，A错误。

M失去电子带正电，N得到电子带负电，所以电子是从M转移到N，B正确；在摩擦起电过程中，得失电子数目是相等的，根据电荷守恒定律，M带正电荷2.7×10－9C，则N一定带负电荷2.7×10－9C，C项正确；M失去的电子数为n＝

＝

个＝1.7×1010个，D正确。

5．如图1是伏打起电盘示意图，其起电原理是（　　）

图1

A．摩擦起电　　　　　　B．感应起电

C．接触起电D．以上三种方式都不是

解析：

选B　导电平板靠近带电的绝缘板并接地时，导体与大地发生静电感应，使导电平板带上负电荷，故选项B正确。

6.绝缘细线上端固定，下端挂一轻质小球a，a的表面镀有铝膜。

在a的近旁有一绝缘金属球b，开始时，a、b都不带电，如图2所示。

现使b带正电，则（　　）

图2

A．b将吸引a，吸住后不放开

B．b先吸引a，接触后又把a排斥开

C．a、b之间不发生相互作用

D．b立即把a排斥开

解析：

选B

7．如图3所示，把一个不带电且与外界绝缘的导体两端分别设计上两个开关，当带正电的小球靠近时，由于静电感应，在a、b端分别出现正、负电荷，则以下说法中正确的是（　　）

图3

A．闭合K1，有电子从导体流向大地

B．闭合K2，有电子从导体流向大地

C．闭合K2，有电子从大地流向导体

D．闭合K1，没有电子通过

解析：

选C　K1、K2闭合前，由于静电感应和电荷守恒定律，a、b出现等量异种电荷，当闭合任何一个开关以后，整个导体与大地连接，都是电子从大地被吸引过来，故C正确。

8．（多选）有一个质量很小的小球A，用绝缘细线悬挂着，当用毛皮摩擦过的硬橡胶棒B靠近它时，看到它们互相吸引，接触后又互相排斥，则下列说法正确的是（　　）

A．接触前，A、B一定带异种电荷

B．接触前，A、B可能带异种电荷

C．接触后，A球可能不带电

D．接触后，A球一定带电

解析：

选BD　接触前橡胶棒B带负电荷，带电体有吸引轻小物体的性质，故A可能带少量正电荷，也可能不带电荷，接触后橡胶棒B和A带同种电荷才能互相排斥，故正确选项为B、D。

9.（多选）如图4所示为科技馆里一个趣味体验项目的简化图，核心装置为一个金属球，在干燥的空气里，体验者双脚站在绝缘凳上，右手按在金属球上，并远离周围其他物体。

一条特殊传送带（图中未画出）给金属球不断地输送电荷，过一段时间后，体验者的头发便会四处散开，甚至倒立，十分有趣，在此状态下，下列分析正确的是（　　）

图4

A．若用左手也去摸金属球，会被电击

B．若用左手与旁边的观众握手，会被电击

C．若右手离开金属球，则头发会立刻恢复常态

D．若右手离开金属球而且走下绝缘凳，头发会立刻恢复常态

解析：

选BD　若用左手也去摸金属球，不会有电流产生，不会被电击，选项A错误；若用左手与旁边的观众握手，会发生放电现象而被电击，选项B正确；若右手离开金属球，电荷不会转移，则头发仍然四处散开，选项C错误；若右手离开金属球而且走下绝缘凳，则电荷将进入大地，人体将不再带电，头发会立刻恢复常态，选项D正确。

10.如图5所示，左边是一个原先不带电的导体，右边C是后来靠近导体的带正电金属球，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5

A．沿虚线d切开，A带负电，B带正电，且QB＞QA

B．只有沿虚线b切开，才有A带正电，B带负电，且QB＝QA

C．沿虚线a切开，A带正电，B带负电，且QB＞QA

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

解析：

选D　静电感应使得A带正电，B带负电。

导体原来不带电，只是在C的电荷的作用下，导体中的自由电子向B部分移动，A部分转移的电子数目和B部分多余的电子的数目是相同的，因此无论从哪一条虚线切开，两部分的电荷量总是相等的。

由于电荷之间的作用力与距离有关，自由电子在不同位置所受C的作用力的强弱是不同的，这样导致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，QA、QB的值是变化的，故只有D正确。

11．有三个相同的绝缘金属小球A、B、C，其中A小球带有3×10－3C的正电荷，B小球带有2×10－3C的负电荷，小球C不带电。

先让小球C与小球A接触后分开，再让小球B与小球A接触后分开，最后让小球B与小球C接触后分开，试求这时三个小球的带电荷量分别为多少？

解析：

总电荷量是守恒的，小球接触后平分电荷量；C、A接触后，A、C都带

C＝1.5×10－3C的正电荷量，让小球B与小球A接触后分开，A、B都带

C＝－2.5×10－4C的负电荷量，最后让小球B与小球C接触后，B、C都带

C＝6.25×10－4C的正电荷量。

故最终三小球的带电荷量分别为

qA＝－2.5×10－4C，qB＝6.25×10－4C，

qC＝6.25×10－4C。

答案：

qA＝－2.5×10－4C　qB＝6.25×10－4C

qC＝6.25×10－4C

12．有两个完全相同的绝缘金属球A、B，A球所带电荷量为q，B球所带电荷量为－q，现要使A、B球所带电荷量都为－

，应该怎样实现？

解析：

方法一：

用手碰A球，A球失去电荷，将A、B球接触，A、B两球都带上－

的电荷量，再用手碰A球，A球又失去电荷，再把A、B球接触，则A、B球都带上－

的电荷量。

方法二：

用一个与A、B完全相同的不带电的金属球与A接触，A球带电量变为

，再把A、B球接触，A、B球带电量都变为－

。

答案：

见解析