高中物理选修31学案11 电荷及其守恒定律.docx

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高中物理选修31学案11电荷及其守恒定律

第1节　电荷及其守恒定律

学习目标

核心提炼

1.知道两种电荷及其相互作用。

2种电荷——正电荷、负电荷

3种起电方式——摩擦起电、接触起电、感应起电

1个规律——电荷守恒定律

2.了解使物体起电的方式。

3.理解电荷守恒定律的内容。

4.知道什么是元电荷。

一、电荷及起电方式

1.两种电荷

（1）电荷的分类

①正电荷：

和用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷性质一样的电荷。

②负电荷：

和用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷性质一样的电荷。

（2）电荷的性质：

同号电荷相互排斥，异号电荷相互吸引；且带电体有吸引轻小物体的性质。

2.摩擦起电：

两个物体相互摩擦时，电子从一个物体转移到另一个物体，原来呈电中性的物体由于得到电子而带负电，丢失电子的物体则带正电。

3.感应起电

（1）自由电子：

金属中离原子核较远的能脱离原子核的束缚而在金属中自由活动的电子。

（2）静电感应：

当一个带电体靠近导体时，由于电荷间相互吸引或排斥，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的现象。

（3）感应起电：

利用静电感应使金属导体带电的过程。

思维拓展

（1）带正电的物体A与不带电的物体B接触，使物体B带上了什么电荷？

在这个过程中电荷是如何转移的？

（2）如图1所示，当将带正电荷的球C移近不带电的枕形金属导体时，由于电荷间的吸引，枕形金属导体中的自由电子向A端移动，而正电荷不移动，所以A端（近端）带________电，B端带________电。

（填“正”或“负”）

图1

[答案]　

（1）正电荷　在这个过程中，有电子从物体B转移到物体A，物体B的电子减少，使物体B带正电。

（2）负　正

二、电荷守恒定律

1.表述一：

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。

2.表述二：

一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。

三、元电荷

1.电荷量：

电荷的多少叫电荷量。

国际单位是库仑，简称库，用C表示。

2.元电荷：

最小的电荷量叫做元电荷，用e表示。

e＝1.6×10－19__C。

最早由美国物理学家密立根测得。

3.电荷量的不连续性：

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。

4.电子的比荷：

电子的电荷量e与电子的质量me之比。

思考判断

1.元电荷是最小的带电体。

（×）

2.所有带电体的电荷量或者等于元电荷，或者是元电荷的整数倍。

（√）

3.元电荷也有正负之分，电子带电就是负的元电荷。

（×）

　起电的三种方式

[要点归纳]　三种起电方式的比较

　　方式

内容　　

摩擦起电

感应起电

接触起电

产生条件

两不同绝缘体摩擦时

导体靠近带电体时

导体与带电体接触时

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

导体带上与带电体电性相同的电荷

微观解释

不同物质的原子核对核外电子的约束力不同，摩擦时电子从一物体转移到另一物体

导体中的自由电子受到带电体对它的排斥（或者吸引），而移向导体的远端（或者近端）

电荷间的相互作用，使得自由电子在带电体和导体上转移，且重新分布

实质

均为电荷在物体之间或物体内部的转移

[精典示例]

[例1]（多选）关于摩擦起电和感应起电的实质，下列说法中正确的是（　　）

A.摩擦起电现象说明机械能可以转化为电能，也说明通过做功可以创造出电荷

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.感应起电说明电荷可以从物体的一部分转移到另一部分

D.感应起电说明电荷可以从带电的物体转移到原来不带电的物体

[解析]　摩擦起电的实质是电子在相互摩擦的物体间发生转移，失电子的显示正电，得电子的显示负电，此过程并非创造了电荷，而是总电荷量守恒，A错误，B正确；感应起电的实质是电荷从导体的一部分转移到另一部分，是电荷在同一导体内部发生了转移，C正确，D错误。

[答案]　BC

[例2]（多选）如图2所示，A、B为相互接触的用绝缘支柱支撑的金属导体，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2

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.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

[解析]　虽然A、B起初都不带电，但带正电的导体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端带正电荷，其下部贴有的金属箔片分别带上了与A、B同种的电荷，所以金属箔片都张开，A正确；C只要一直在A、B附近，先把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仍带等量异种的感应电荷，此时即使再移走C，A、B所带电荷量也不变，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上的感应电荷会完全中和，金属箔片都不会张开，D错误。

[答案]　AB

（1）摩擦起电适用于绝缘体，感应起电、接触起电适用于导体。

（2）无论哪种起电方式，发生转移的都是电子，正电荷不会发生转移。

（3）感应起电的判断方法

①当带电体靠近导体时，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导体接地时，该导体与地球可视为一个导体，而且该导体可视为近端导体，带异种电荷，地球就成为远端导体，带同种电荷。

[针对训练1]如图3所示，放在绝缘支架上带正电的导体球A，靠近放在绝缘支架上不带电的导体B，导体B用导线经开关接地，现把S先合上再断开，再移走A，则导体B（　　）

图3

A.不带电B.带正电

C.带负电D.不能确定

[解析]　根据静电感应现象和电荷间的相互作用，可判断导体B带负电，故选项C正确。

[答案]　C

　电荷守恒定律

[要点归纳]　

1.完全相同的导体球接触起电时电荷量分配原则

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

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，电性与所带电荷量多的金属球相同。

2.“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。

[精典示例]

[例3]完全相同的两金属小球A、B带有相同的电荷量，相隔一定的距离，今让第三个完全相同的不带电金属小球C，先后与A、B接触后移开。

（1）若A、B两球带同种电荷，接触后两球的电荷量大小之比为多少？

（2）若A、B两球带异种电荷，接触后两球的电荷量大小之比为多少？

[解析]　

（1）设A、B带同种电荷，带电荷量均为q，则A、C接触后，A、C带电荷量为qA＝qC＝

q。

C与B球接触后，B、C所带电荷量为qB＝qC′＝

＝

q。

故A、B带电荷量大小之比为

＝

＝

。

（2）设qA＝＋q，qB＝－q。

则C与A接触后，A、C带电荷量为qA＝qC＝＋

q。

C与B接触后，B、C带电荷量为qB＝qC″＝

＝－

q，

故A、B带电荷量大小之比为

＝

＝

。

[答案]　

（1）2∶3　

（2）2∶1

（1）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。

（2）三种起电过程都没有创造电荷，其本质都是电子的转移，即起电过程是物体所带电荷的重新分配。

（3）接触起电过程中，电荷的分配与导体的形状、大小有关，两个完全相同的小球接触后再分开，两球将平分电荷。

[针对训练2]有三个相同的绝缘金属小球A、B、C，其中A小球带有2.0×10－5C的正电荷，小球B、C不带电。

现在让小球C先和小球A接触后取走，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，最终三小球的带电荷量分别为qA＝________C，qB＝________C，qC＝________C。

[解析]　小球C与A接触后，qA＝qC＝

×2×10－5C＝1×10－5C，小球B与A接触后，qA′＝qB＝

×1×10－5C＝5×10－6C，小球B与小球C接触后，qB′＝qC′＝

×（1×10－5＋5×10－6）C＝7.5×10－6C。

[答案]　5×10－6　7.5×10－6　7.5×10－6

　验电器的使用

[要点归纳]　

1.验电器（或静电计）（如图4）的金属球、金属杆和下面的两个金属箔片连成同一导体。

图4

2.当带电的物体与验电器上面的金属球接触时，有一部分电荷转移到验电器上，与金属球相连的两个金属箔片带上同种电荷，因相互排斥而张开，物体所带电荷量越多，电荷转移的越多，斥力越大，张开的角度也越大。

3.当带电体靠近验电器的金属球时，金属箔片也会张开。

因为带电体会使验电器的上端感应出异种电荷，而金属箔片上会感应出同种电荷（感应起电），两箔片在斥力作用下张开。

[精典示例]

[例4]使带电的金属球靠近不带电的验电器，验电器的箔片张开。

下列各图表示验电器上感应电荷的分布情况，正确的是（　　）

[解析]　把带电金属球移近不带电的验电器，若金属球带正电荷，则将导体上的自由电子吸引上来，这样验电器的上部将带负电荷，箔片带正电荷；若金属球带负电荷，则将导体上的自由电子排斥到最远端，这样验电器的上部将带正电荷，箔片带负电荷，选项B正确。

[答案]　B

[针对训练3]（2018·石家庄高二检测）

如图5所示，用起电机使金属球A带上正电荷，并靠近验电器B，则（　　）

图5

A.验电器金箔不张开，因为球A没有和验电器上的金属球接触

B.验电器金箔张开，因为整个验电器都感应出了正电荷

C.验电器金箔张开，因为整个验电器都感应出了负电荷

D.验电器金箔张开，因为验电器的下部箔片感应出了正电荷

[解析]　当一个带正电的物体A，靠近原来不带电的验电器的金属小球时，小球由于静电感应会带上负电荷，金属箔片由于静电感应会带上正电荷，而整个验电器不带电，所以验电器的金属箔片张开的原因是箔片感应出了正电荷，故选项D正确。

[答案]　D

1.（对三种起电方式的理解）（多选）下列说法中正确的是（　　）

A.静电感应不是创造电荷，只是电荷从物体的一部分转移到另一部分

B.摩擦起电时，一个物体失去一些电子而带正电，另一个物体得到这些电子而带负电

C.摩擦起电和感应起电都能使电子转移，只不过前者使电子从一个物体转移到另一个物体上，而后者则使电子从物体的一部分转移到另一部分

D.一个带电体接触一个不带电的物体，两个物体可能带上异种电荷

[解析]　根据电荷守恒定律，D项错误。

[答案]　ABC

2.（对元电荷的理解）保护知识产权，抵制盗版是我们每个公民的责任与义务。

盗版书籍影响我们的学习效率，甚至会给我们的学习带来隐患。

小华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字看不清，他只能看清是6.____×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哪一个（　　）

A.6.2×10－18CB.6.4×10－18C

C.6.6×10－18CD.6.8×10－18C

[解析]　任何带电体的电荷量是元电荷的整