学年高中物理 第1章 静电场 第1节 静电现象及其微观解释教学案 鲁科版选修31.docx

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学年高中物理第1章静电场第1节静电现象及其微观解释教学案鲁科版选修31

第1节静电现象及其微观解释

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．使物体带电的三种方式：

摩擦起电、接触起电、感应起电。

任何方式起电的实质都是电荷的转移，起电的过程中遵循电荷守恒定律。

3．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，e＝1.6×10－19C。

4．两个完全相同的带电小球，其电荷量为q1、q2，则接触后带电的原则是先中和后平分，每个小球的电荷量为

，q1、q2包含了电性。

一、静电的产生

1．三种起电方式

（1）摩擦起电：

通过摩擦的方式使物体带电。

（2）接触起电：

通过与带电体接触的方式使物体带电。

（3）感应起电：

通过静电感应使物体带电。

2．两种电荷及其相互作用

（1）两种电荷：

用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电。

（2）相互作用：

同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。

3．静电感应：

导体因受附近带电体的影响而带电的现象。

二、原子结构与电荷守恒

1．原子结构

如图111所示

图111

原子

2．电荷守恒定律

电荷既不能创造，也不能消灭，只能从物体的一部分转移到另一部分，或者从一个物体转移到另一个物体。

在任何转移的过程中，电荷的总量不变。

3．物体带电的实质

物体带电的实质是电子的转移。

4．元电荷

（1）电荷的多少叫电荷量，其单位是“库仑”，简称“库”，用C表示。

（2）最小的电荷量叫元电荷，用e表示，则e＝1.60×10－19C。

（3）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。

三、静电的应用与防护

1．静电的应用

（1）原理：

同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，利用静电力控制带电粒子的运动或分布。

（2）应用：

静电应用有激光打印、静电喷雾、静电除尘、静电喷涂等。

2．静电的防护

（1）静电危害产生原因：

静电力和静电火花。

（2）防护方法：

尽快把静电导走，如印刷车间内保持适当的湿度，传送带上镀银，油罐车车尾拖地铁链等。

1．自主思考——判一判

（1）只有导体才能发生感应起电。

（√）

（2）两个物体之间或物体的各部分之间能转移的是电子和正电荷。

（×）

（3）电荷的中和现象实质是正、负电荷的结合过程。

（√）

（4）在电荷转移和重新分配的过程中，对整个系统而言，电荷是守恒的。

（√）

（5）室内栽花种草可有效防止静电。

（√）

（6）家用电器上的接地线能防止静电危害。

（√）

2．合作探究——议一议

（1）一般情况下物体不带电，不带电的物体内是否存在电荷？

[提示]　不带电的物体内存在电荷，且存在等量的正、负电荷，在物体内中和，对外不显电性。

（2）电子、质子是元电荷吗？

[提示]　不是。

元电荷是最小的带电单位，没有正、负，不是带电粒子。

虽然电子、质子所带电荷量的绝对值与元电荷相等，但电子、质子是实实在在的粒子，不是元电荷。

（3）运输易燃易爆品的油罐车为何总有根金属链拖在地上？

[提示]　汽车行驶时，油和油罐摩擦起电，电荷聚积到一定程度会火花放电引起火灾，用铁链将电荷及时导入大地，避免火灾。

三种起电方式的对比

摩擦起电

感应起电

接触起电

产生及条件

两不同绝缘体摩擦时

导体靠近带电体时

导体与带电导体接触时

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”

导体带上与带电导体电性相同的电荷

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）

电荷之间的相互作用

实质

均为电荷在物体之间或物体内部的转移

[典例]　如图112所示，A、B为相互接触的用绝缘支架支持的金属导体，起初它们不带电，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上的金属箔片都不张开

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．先把C移走，再把A、B分开，A、B上的金属箔片仍张开

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

[思路点拨]

C移近时→A、B端电荷分布→

[解析]　

（1）C移近A时，带正电的小球C对A、B内的电荷有力的作用，使A、B中的自由电子向左移动，使得A端积累了负电荷，B端积累了正电荷，其下部贴有的金属箔片，也分别带上了与A、B同种性质的电荷。

由于同种电荷间的斥力，所以金属箔片都张开，A错误。

（2）C靠近后保持不动，把A、B分开，A、B上的电荷因受C的作用力不可能中和，因而A、B仍带等量的异种感应电荷，此时即使再移走C，因A、B已经绝缘，所带电荷量也不会变，金属箔片仍张开，B正确。

（3）先移走C，再把A、B分开，A、B上的感应电荷会马上在其相互之间的引力作用下吸引中和，不再带电，所以箔片都不会张开，C错。

（4）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，箔片都不会张开，D错。

[答案]　B

感应起电的判断方法

（1）带电体靠近导体时，靠近带电体的近端带异种电荷，远离带电体的远端带同种电荷。

（2）凡遇到接地问题时，该导体与地球组成一个导体，则该导体为近端物体，带异种电荷，地球为远端物体，带同种电荷。

1．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1.60×10－19C，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N转移到M

C．N在摩擦后一定带负电荷1.60×10－19C

D．N在摩擦过程中失去1.60×10－19C个电子

解析：

选C　M和N相互摩擦，M带正电是因为M对核外电子的束缚能力小而失去核外电子的结果；由于电荷守恒，故N一定带等量负电荷，选项C正确。

2．使带电的金属球靠近不带电的验电器，验电器的箔片张开。

下图中表示验电器上感应电荷的分布情况，正确的是（　　）

解析：

选B　带电的金属球靠近不带电的验电器时，在验电器上感应出异种电荷，使验电器的顶端带上了异种电荷，金属箔片带上了同种电荷。

3.如图113所示，把一个不带电的枕形导体靠近带正电的小球，闭合S1或S2，由于静电感应，枕形导体两端带上异种电荷，则以下说法正确的是（　　）

图113

A．闭合S1，有电子从枕形导体流向大地

B．闭合S2，有电子从枕形导体流向大地

C．闭合S1，有电子从大地流向枕形导体

D．闭合S2，没有电子通过S2

解析：

选C　在S1、S2都闭合前，对于枕形导体，它的电荷是守恒的，a、b出现的负、正电荷等量。

当闭合S1、S2中的任何一个以后，便把导体与大地连通，使大地也参与了电荷转移。

因此，导体本身的电荷不再守恒，而是导体与大地构成的系统电荷守恒。

由于静电感应，a端仍为负电荷，大地远处感应出等量的正电荷，因此，无论闭合S1还是S2都有电子从大地流向导体，故选C。

电荷守恒定律的应用

1．如何深刻理解电荷守恒定律？

（1）“中性”“中和”的本质

电中性的物体是有电荷存在的，只是代数和为0，对外不显电性；电荷的中和是指电荷的种类、数量达到异号、等量时，正负电荷代数和为0。

（2）“总量”含义：

指电荷的代数和。

（3）起电过程中电荷变化

不论哪一种起电过程都没有创造电荷，也没有消灭电荷。

本质都是电荷发生了转移，也就是物体所带电荷的重新分配。

（4）守恒的广泛性

电荷守恒定律与能量守恒定律一样，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，涵盖了包括近代物理实验发现的微观粒子在变化中遵循的规律。

2．完全相同的导体球接触带电时电量如何分配？

形状、大小都相同的导体接触时会将电荷量平分。

（1）用带电量为Q的金属球与不带电的金属球接触，每个小球带电量均为Q/2，且所带电荷的性质相同。

（2）用带电量为Q1的金属球与带电量为Q2的金属球接触，若两球带同种电荷，则每个小球所带电量为总电量的一半。

若两球带异种电荷，则先中和相同量的异号电荷，然后平分剩余电荷。

1．（多选）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：

选AD　由于甲、乙、丙原来都不带电，即都没有净电荷，甲、乙摩擦导致甲失去电子带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所带负电荷为1.6×10－15C－8×10－16C＝8×10－16C，故A、D正确。

2．有两个完全相同的带电绝缘金属球A、B，分别带有电荷量QA＝6.4×10－9C，QB＝－3.2×10－9C，让两绝缘金属球接触。

在接触后，A、B带电荷量各是多少？

此过程中电荷发生了怎样的转移，转移了多少？

解析：

当两球接触时，带电荷量少的负电荷先被中和，剩余的正电荷再重新分配。

由于两球相同，剩余正电荷必均分，即接触后两球带电荷量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′的正电荷。

这样，共转移的电子电荷量为：

ΔQ＝QB－QB′＝（－3.2×10－9－1.6×10－9）C＝－4.8×10－9C。

答案：

均为1.6×10－9C　电子由B球转移到了A球，转移了－4.8×10－9C

1．下列说法中错误的是（　　）

A．用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电

B．用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电

C．摩擦起电就是因摩擦而创造了电荷

D．摩擦起电是因为电子从一个物体转移到另一个物体

解析：

选C　丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，毛皮摩擦过的橡胶棒带负电，这是两种典型的摩擦起电，选项A、B正确。

因为电荷既不能创造，也不能消灭，只能从一个物体转移到另一个物体，或从物体的一部分转移到另一部分，所以任何起电方式的本质都是使电荷发生转移，不可能创造电荷，选项C错误，选项D正确。

2．下列说法正确的是（　　）

A．物体所带的电荷量可以为任意实数

B．不带电的物体上，既没有正电荷也没有负电荷

C．摩擦起电过程，是靠摩擦产生了电荷

D．利用静电感应使金属导体带电，实质上是导体中的自由电子趋向或远离带电体

解析：

选D　自然界中的电荷量不是任意无限可分的，其最小单位为元电荷所带的电荷量1.60×10－19C，故选项A错误；物体不带电，是由于其内部正、负电荷的量值相等，对外不显电性，故选项B错误；电荷既不能创造，也不能消灭，摩擦起电同样不能创造电荷，是一个物体失去电子、另一个物体得到电子的过程，选项C错误；自由电子是金属导体中的自由电荷，在带电体的作用下，导体中的自由电子会趋向或远离带电体，使导体两端带等量异种电荷，选项D正确。

3．（多选）关于元电荷的下列说法中正确的是（　　）

A．元电荷实质上是指电子和质子本身

B．所有带电体的电荷量一定等于元电荷的整数倍

C．元电荷的值通常取e＝1.60×10－19C

D．电荷量e的数值最早是由美国科学家密立根用实验测得的

解析：

选BCD　实验得出，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。

电荷量e的数值最早是由美国物理学家密立根测得的。

由以上可知正确选项为B、C、D。

4．保护知识产权，抵制盗版是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。

某同学有一次不小心购买了盗版的物理参考书，做练习时，他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．9.2×10－18C　　　　　B．9.4×10－18C

C．9.6×10－18CD．9.8×10－18C

解析：

选C　任何物体的电荷量都是元电荷1.6×10－19C的整数倍。

5．下列现象中，跟静电无关的是（　　）

A．冰箱的门能关得很紧，从而保证了密封性很好

B．打开水龙头，将梳过头的梳子靠近细细的水流，水流会偏转

C．在干燥的天气里，脱毛衣时听到噼里啪啦的响声，还会有点电火花

D．把气球在头发上摩擦几下，拿到手臂旁，手臂上的汗毛会被吸引而竖起来

解析：

选A　冰箱的门能关得很紧，从而保证了密封性很好，是因为冰箱的橡胶门封条具有磁性，能把门吸附在箱体上，与静电现象无关；梳子梳头发，摩擦起电，使梳过头的梳子带电，而水流是导体，当此梳子与细细的水流靠近时，水流会因感应而起电，梳子与水流相互吸引，从而使水流向着梳子的方向偏转；化纤衣服因摩擦起电，产生了静电荷，脱衣服时，静电荷之间放电，产生电火花，这一现象与静电有关；气球与头发摩擦后，由于摩擦起电，气球带电，而带电的物体具有吸引轻小物体的性质，所以手臂上的汗毛会被气球吸引而竖起来。

故选项A与静电无关。

6.（多选）如图1所示，a、b、c、d为四个带电小球，两球之间的作用分别为a吸引d，c排斥a，c排斥b，d吸引b，则（　　）

图1

A．有两个小球带同种电荷

B．有三个小球带同种电荷

C．c、d小球带同种电荷

D．c、d小球带异种电荷

解析：

选BD　由d吸引a，d吸引b可知a与b带同种电荷，且与d带异种电荷；由c排斥a，c排斥b可知c与a、b带同种电荷，c与d带异种电荷。

故选项B、D正确。

7.（多选）如图2所示，是一个带正电的验电器，当一个金属球A靠近验电器上的金属小球B时，验电器中金属箔片的张角减小，则（　　）

图2

A．金属球A可能不带电

B．金属球A一定带正电

C．金属球A可能带负电

D．金属球A一定带负电

解析：

选AC　验电器上的金属箔片和金属球都带有正电荷，金属箔片之所以张开，是由于箔片上的正电荷互相排斥造成的。

当验电器金属箔片的张角减小时，说明箔片上的正电荷一定比原来减少了，由于金属球A只是靠近验电器而没有与验电器上的金属球B发生接触，要考虑感应起电的影响。

当金属球A靠近时，验电器的金属球B、金属杆包括金属箔片整体相当于一个导体，金属球A离金属球B较近，而离金属箔片较远。

如果金属球A带正电，验电器上的正电荷一定向远处移动，则金属箔片上的电荷量不会减少，所以选项B是错误的。

如果金属球A带负电，验电器上的正电荷会由于引力作用向近端移动，造成金属箔片上的电荷量减少，所以选项C是正确的。

如果金属球A不带电，由于受到金属球B上正电荷的影响，金属球A上靠近B的部分也会由于静电力的作用出现负电荷，而这些负电荷反过来会使得验电器上的正电荷向金属球B移动，效果与金属球A带负电荷一样。

所以选项A也是正确的，选项D是错误的。

8．给你两个带绝缘支架的相同金属小球A、B，一块丝绸，一根玻璃棒。

你能使这两个小球带等量异种电荷吗？

解析：

如图所示，将两个金属球相互接触，用丝绸摩擦玻璃棒，玻璃棒上便带上正电荷，然后将玻璃棒靠近B球右侧，由于静电感应，左侧A球带正电，右侧B球带负电，最后，保持玻璃棒不动，再用绝缘支架把两金属球分开，这样两金属球便带上了等量异种电荷。

答案：

见解析

9.（多选）用金属箔做成一个不带电的圆环，放在干燥的绝缘桌面上。

小明同学用绝缘材料做的笔套与头发摩擦后，将笔套自上向下慢慢靠近圆环，当距离约为0.5cm时圆环被吸引到笔套上，如图3所示。

对上述现象的判断与分析，下列说法正确的是（　　）

图3

A．摩擦使笔套带电

B．笔套靠近圆环时，圆环上、下部感应出异号电荷

C．圆环被吸引到笔套的过程中，圆环所受静电力的合力大于圆环的重力

D．笔套碰到圆环后，笔套所带的电荷立刻被全部中和

解析：

选ABC　绝缘材料做的笔套与头发摩擦，摩擦使笔套带电，选项A正确；笔套靠近圆环时，圆环上、下部感应出异号电荷，选项B正确；圆环被吸引向上运动，一定是静电力的合力大于圆环的重力，选项C正确；因圆环原来不带电，笔套与头发摩擦后带电，故笔套碰到圆环后，笔套所带的电荷没有全部被中和，选项D错误。

10.（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。

11．半径相同的两个金属小球A、B带有相等的电荷量，相隔一定的距离，现让第三个半径相同的不带电的金属小球先后与A、B接触后再移开。

（1）若A、B带同种电荷，求接触后两球所带的电荷量之比。

（2）若A、B带异种电荷，求接触后两球所带的电荷量之比。

解析：

（1）若A、B带同种电荷，设为q，第三个小球先与A接触，电荷量平均分配，各带电荷量

；第三个小球再与B接触，两球电荷量之和平均分配，各带

q。

因此A、B带电荷量之比

＝

。

（2）若A、B两球带异种电荷，设A为q，B为－q，则第三个小球先和A接触，电荷量平均分配，各带

；第三个小球再和B接触，先中和再平均分配，各带－

q。

所以A、B电荷量之比

＝

。

答案：

（1）2∶3　

（2）2∶1

12.如图5所示，在桌上放两摞书，把一块洁净的玻璃板垫起来，使玻璃板离开桌面2～3cm，在宽0.5cm的纸条上画出各种舞姿的人形，用剪刀把它们剪下来，放在玻璃板下面，然后用一块硬泡沫塑料在玻璃板上摩擦，就可以看到小纸人翩翩起舞了。

图5

（1）小纸人为什么会翩翩起舞？

（2）如果实验前用一根火柴把“跳舞区”烤一烤，实验效果更好，此现象说明了什么？

（3）如果向“跳舞区”哈一口气，小纸人跳得就不活跃了，此现象说明了什么？

（4）通过实验现象，找出一种防止静电的方法。

解析：

（1）因为泡沫塑料摩擦玻璃板，使玻璃板带了电，带电的玻璃板使小纸人产生静电感应而被吸引，由于玻璃板上的电荷量不断变化，小纸人受力不断变化，使小纸人翩翩起舞。

（2）用火柴烤一烤跳舞区，使跳舞区与其他地方的绝缘效果加强，电荷不易导走，带电荷量增多，实验效果则更好。

（3）如果向“跳舞区”哈一口气，则跳舞区的绝缘效果明显下降，玻璃板上摩擦带的电荷很快被导走，玻璃板上的电荷量很小，小纸人也就不活跃了。

（4）该实验中，若用导线将玻璃板接地，则小纸人不再跳舞，因此要防止静电，可将产生静电的物体接地。

答案：

见解析