9.1 电荷--高中物理必修三素养提升学案（有答案）

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高中物理必修三素养提升学案
第九章 静电场及其应用
9.1 　电荷
【学习目标】
1.知道自然界中有两种电荷,知道电荷量的概念及其国际单位。
2.会用原子结构模型解释摩擦起电的原因,观察并分析静电感应现象,会用静电的原理解释生活中的现象。
3.通过对不同起电方式的分析,得出电荷守恒定律,理解电荷守恒定律,知道守恒思想的重要性。
4.知道元电荷、比荷的概念,理解电荷量的不连续性。
【科学素养要求】
1.物理观念
(1)知道自然界存在两种电荷，知道电荷量的概念及其国际单位。
(2)理解电荷守恒定律。
(3)知道元电荷的概念，体会电荷量是不连续的。
2.科学思维
(1)会用原子结构模型解释摩擦起电的原因。
(2)观察并分析静电感应现象，进一步提高应用物理模型解释现象的能力。
3.科学探究
通过观察静电感应现象体会静电感应的实质。
4. 科学态度与责任
(1)通过观察摩擦起电、静电感应等现象，激发对自然界的好奇心。
(2)通过不同起电方式的分析、体会守恒观念对认识物理规律的重要性。
【自主预习】
一、电荷
1.很多物体由于摩擦而带电,并称这种方式为　　　　　　　　。当两个物体互相摩擦时,一些受束缚较弱的电子往往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　　　　,失去电子的物体则带　　　　。如用丝绸摩擦过的硬玻璃棒带　　　　电,用毛皮摩擦过的硬橡胶棒带　　　　电。
2.自然界中的电荷只有两种:　　　电荷和　　　电荷,同种电荷相互　　　　,异种电荷相互　　　　。
3.电荷量:　　　　　　　　　叫作电荷量,在国际单位制中,它的单位是　　　　,符号是　　　,正电荷的电荷量为正值,负电荷的电荷量为负值。
【答案】 1.摩擦起电　负电　正电　正　负
2.正　负　排斥　吸引
3.电荷的多少 　库仑 　C
二、静电感应
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　　　　　　的电子。
2.静电感应:当一个带电体靠近导体时,由于电荷间　　　　　　,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　　　　　　电荷,远离带电体的一端带　　　　　　电荷的现象。
3.感应起电:利用　　　　　　使金属导体带电的过程。
【答案】
1.自由移动
2.相互吸引或排斥　异种　同种
3.静电感应
三、电荷守恒定律
1.表述一:电荷既不会　　　　,也不会　　　　,它只能从一个物体转移到　　　　　　,或者从物体的一部分转移到　　　　　　;在转移过程中,电荷的　　　　保持不变。
2.表述二:一个与外界没有　　　　交换的系统,电荷的　　　　保持不变。
【答案】
1.创生　消灭　另一个物体　另一部分　总量
2.电荷　代数和
四、元电荷
四、元电荷
1.元电荷:　　　　的电荷量叫作元电荷,用e表示。
e=　　　　。最早由美国物理学家　　　　测得。
2.电荷量的不连续性:所有带电体的电荷量或者等于　　,或者是　　　的整数倍。
3.电子的比荷: 电子的　　　　与电子的质量me之比。
【答案】
1. 最小　1.60×10-19C　密立根
2. e　e
3. 电荷量e
【课堂探究】
[情境设问]
请同学们用准备好的塑料梳子梳头,然后用梳子去接触小纸屑,请观察发生什么现象。
(一)电荷
1.物质的微观结构是怎样的 摩擦起电的原因是什么
结论:摩擦起电没有　　　　电荷,只是电荷发生了　　　　　　。
2.什么是自由电子,金属成为导体的原因是什么
金属中原子的外层电子会脱离原子核的束缚而在金属中　　　　　,这就是金属导电的原因。
3.除了摩擦起电,你还能想出其他方法可以使物体带电吗
(二)静电感应
观察实验,记录实验现象
(1)　　　　　　　　(2)　　　　　　　
(3)　　　　　　
原因:电荷间的相互　　　　或　　　　,没有　　　电荷,只是电荷的　　　　。
(三)电荷守恒定律
无论是摩擦起电还是静电感应都没有　　　电荷,只是电荷的　　　　发生了变化。
(四)元电荷
电荷量是不能　　　　　　　的物理量。
【答案】(一)电荷
1.创造　转移
2.自由移动
3.接触起电等
(二)静电感应
(1)张开　(2)张开　(3)闭合　吸引　排斥　创造　转移
(三)电荷守恒定律
创生　位置
(四)元电荷
连续变化
【知识点探究】
知识点一　电荷
1．物体带电
物体具有吸引轻小物体的性质，我们就说它带了电，或有了电荷。
2．两种电荷
(1)自然界中只存在两种电荷：正电荷和负电荷。
(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。
【温馨提示】两个物体带异种电荷相互吸引，但相互吸引的物体不一定是带异种电荷，因为带电体还具有吸引轻小物体的特性。
3．电荷量及其单位
(1)定义：电荷的多少叫作电荷量，常用符号Q或 q表示。
(2)单位：在国际单位制中，电荷量的单位是库仑，简称库，用C表示。
(3)正负：电荷有正负之分，正电荷的电荷量为正值，负电荷的电荷量为负值。
4．物质的微观结构
(1)原子结构：原子
(2)原子电性：原子核的正电荷数量与电子的负电荷数量一样多，整个原子对外界较远位置表现为电中性。
(3)自由电子：金属中原子的外层电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由运动，这种电子叫作自由电子。
【温馨提示】同一物体分别与不同种类的物体摩擦，该物体所带电荷的种类取决于两种物质的原子核束缚电子的能力的大小，故同一物体与不同种类的物体摩擦时，可能带上不同种类的电荷。
5．三种起电方式
(1)摩擦起电：由于摩擦而使物体带电的方式。原因：当两种物质组成的物体相互摩擦时，一些受原子核束缚较弱的电子会转移到另一个物体上。于是，原来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)感应起电
①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。
②感应起电：利用静电感应使金属导体带电的过程。
(3)接触起电：带电体与导体接触时，会使这个导体带电的现象。
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 两个不同的绝缘体摩擦 带电体靠近导体 带电体接触导体
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束缚能力不同，摩擦时会出现电子从一个物体转移到另一个物体的现象 导体中的自由电荷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荷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
规律及注意事项 原子核不能自由移动，相互摩擦的两个物体转移的不可能是正电荷，只能是电子，即带正电的物体一定失去了电子，带负电的物体一定得到了电子 感应起电成功的关键是在带电体没移开之前先将导体分成两部分(或先断开接地线)，然后再移去带电体 无论是带电体与中性物体接触还是两个带电体接触，转移的一定是带负电的电子
知识点二　电荷守恒定律
表述1．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。
表述2．一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。
知识点三　元电荷
1．定义：实验发现的最小电荷量就是电子所带的电荷量，这个最小的电荷量叫作元电荷，用符号e表示。
2．所有带电体的电荷量都是e的整数倍，电荷量是不能连续变化的物理量。
3．元电荷的大小：e＝1.602 176 634×10－19 C在计算中通常取e＝1.60×10－19 C。
4．电子的比荷：电子的电荷量e与电子的质量me之比。其值＝1.76×1011 C/kg。
【温馨提示】元电荷不是实际的粒子，它表示最小的电荷量，没有正负。
【典例分析】
【例题1】如图所示,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,则下列结论正确的是(　　)
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
【答案】D
【解析】:静电感应使得导体A带正电，,导体B带负电。,导体原来不带电,只是在金属球C的正电荷的作用下,导体中的自由电子向B移动,使B带多余的电子而带负电,A少电子而带正电。导体A失去的电子数目和导体B得到的电子数目相同,因此无论沿哪一条虚线切开,两部分的电荷总量是相等的,但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中电荷的作用力的强弱不同,这样导致电子在导体上的分布不均匀,越靠近B负电荷密度越大,越靠近A正电荷密度越大,所以从不同位置切开时,QA、QB的值不同,选项D正确。
【例题2】(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0.5 cm时圆环被吸引到笔套上,如图所示。对上述现象的判断与分析,下列说法正确的是(　　)
A.摩擦使笔套带电
B.笔套靠近圆环时,圆环上、下部分感应出异号电荷
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
【答案】ABC
【解析】:笔套与头发摩擦后,能够吸引圆环,说明笔套上带了电荷,即摩擦使笔套带电,选项A正确;笔套靠近圆环时,由于静电感应,会使圆环上、下部分感应出异种电荷,选项B正确;圆环被吸引到笔套的过程是由于圆环所受静电力的合力大于圆环所受的重力,选项C正确;笔套碰到圆环后,圆环整体不带电,所以笔套所带的电荷不会被中和,选项D错误。
【课堂练习】
1.(多选)关于电荷量,以下说法正确的是(　　)
A.物体所带的电荷量可以为任意实数
B.物体所带的电荷量只能是某些值
C.物体带正电荷1.6×10-9 C,这是因为失去了1.0×1010个电子
D.物体所带电荷量的最小值为1.6×10-19 C
【答案】.BCD
【解析】物体所带最小的电荷量叫作元电荷，物体所带电荷量的最小值为元电荷的电荷量，为1.6×10-19 C，A错误BD正确；物体带正电荷q=1.6×10-9 C,由=1.0×1010，可知这是因为物体失去了1.0×1010个电子，C正确。
2.(多选)关于元电荷,下列说法正确的是(　　)
A.元电荷实质上是指电子或质子本身
B.所有带电体的电荷量一定等于元电荷的整数倍
C.元电荷的数值通常取作e=1.6×10-19 C
D.元电荷e的数值最早是由美国科学家密立根用实验测得的
　【答案】.BCD
【解析】物体所带最小的电荷量叫作元电荷，所有带电体的电荷量一定等于元电荷的整数倍，元电荷的数值通常取作e=1.6×10-19 C，元电荷e的数值最早是由美国科学家密立根用实验测得的，所以A错误BCD正确。
3.如图所示是伏打起电盘示意图,其起电原理是(　　)
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
　【答案】.B　
【解析】根据.如图所示的伏打起电盘示意图，可知其起电原理是感应起电，B正确。
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2.72×10-9 C,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2.72×10-9 C
D.M在摩擦过程中失去1.7×1010个电子
【答案】.BCD
【解析】都不带电的物体，在摩擦前M和N的内部有正负电荷，只是正负电荷代数和为零，显示它们两个都不带电，A错误。它们互相摩擦后，,M带正电荷2.72×10-9 C，说明在摩擦过程中电子从M转移到N，N在摩擦后一定带负电荷2.72×10-9 C，BC正确；由=1.7×1010，可知M在摩擦过程中失去1.7×1010个电子，D正确。
5．(2021·天津静海一中期中)感应起电和摩擦起电都能使物体带电，关于这两种起电方式，下列说法正确的是(　　)
A．感应起电和摩擦起电都是电荷从物体的一部分转移到另一部分
B．感应起电是电荷从一个物体转移到另一个物体
C．感应起电和摩擦起电都是电荷从一个物体转移到另一个物体
D．摩擦起电是电荷从一个物体转移到另一个物体
【答案】D　
【解析】感应起电的实质是电荷从物体的一部分转移到另一部分，摩擦起电的实质是电子从一个物体转移到另一个物体，故A、B、C错误，D正确。
【核心素养专练】
1.古希腊贵族妇女外出时都喜欢穿柔软的丝绸衣服,戴琥珀做的首饰。人们发现,不管将琥珀首饰擦得多干净,它很快就会吸上一层灰尘,这主要是因为(　　)
A.琥珀是一种树脂化石,树脂具有黏性,容易吸附灰尘
B.室外的灰尘比较多,在琥珀上积聚的速度比较快
C.经丝绸摩擦后的琥珀带电,能吸引灰尘
D.琥珀本身带电,能吸引灰尘
【答案】.C【解析】经丝绸摩擦后的琥珀带电,能吸引灰尘，C正确。
2.如图所示,，不带电导体B在靠近带正电的导体A时,，P端及Q端分别感应出负电荷和正电荷,则以下说法正确的是(　　)
A.若用导线将Q端接地,然后断开,再取走A,则导体B将带负电
B.若用导线将Q端接地,然后断开,再取走A,则导体B将带正电
C.若用导线将Q端接地,然后断开,再取走A,则导体B将不带电
D.若用导线将P端接地,然后断开,再取走A,则导体B将带正电
　【答案】.A
【解析】不带电导体B在靠近带正电的导体A时,，P端及Q端分别感应出负电荷和正电荷，若用导线将Q端或P端接地,然后断开，再取走A,，则导体B将带负电，A正确。
3.如图所示,绝缘细线上端固定,下端悬挂一个轻质小球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,，现使a、b分别带正、负电,则(　　)
A.b将吸引a,吸引后不放开
B.b先吸引a,接触后又与a分开
C.a、b之间不发生相互作用
D.b立即把a排斥开
　【答案】.B　
【解析】现使a、b分别带正、负电，两小球b先吸引a,、两小球接触后正负电荷中和后剩余电荷两小球分布后相互排斥，所以b与a分开，B正确。
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,图中表示验电器上感应电荷的分布情况正确的是 (　　)
【答案】.B
【解析】图中表示验电器上感应电荷的分布情况正确的是B。
5.(多选)用棉布分别与丙烯塑料板和乙烯塑料板摩擦实验的结果如图所示,由此对摩擦起电说法正确的是(　　)
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都不同的电荷
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,该物体的带电种类可能不同
【答案】.CD
【解析】.根据摩擦起点原理，两个物体摩擦起电时,一定同时带上不同种类、数量相同的电荷，AB错误C正确；同一物体与不同种类物体摩擦,该物体的带电种类可能不同，D正确。
6.(多选)如图所示,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，b排斥c，c排斥a，d吸引b，,则(　　)
A.仅有两个小球带同种电荷
B.仅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
【答案】BD
【解析】根据题述a吸引d，可知a、d是异种电荷；根据题述b排斥c，可知b、c是同种电荷；c排斥a，可知c、a是同种电荷；d吸引b，可知d、b是异种电荷；所以b、c、a是同种电荷，c、d小球带异种电荷，BD正确。
7.如图所示,通过调节控制电子枪产生的电子束,使其每秒有104个电子到达收集电子的金属瓶,经过一段时间,金属瓶上带有-8×10-12C的电荷量,求:
(1)金属瓶上收集到多少个电子
(2)实验的时间为多长
【解析】(1)金属瓶上收集的电子数目为
N===5×107个。
(2)实验的时间t= s=5 000 s。
答案:(1)5×107个　(2)5 000 s
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