高中物理教科版选修3-1导学案 电荷及其守恒定律 Word版含解析

电荷及其守恒定律
【学习目标】　
1.知道自然界中的两种电荷及其相互作用.
2.知道使物体带电的三种方式.
3.掌握电荷守恒定律及元电荷的概念．
【自主预习】
一、电荷及起电方式
1．两种电荷
(1)电荷的分类：_________电荷和_________电荷．
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)电荷间的相互作用：同种电荷相互_________，异种电荷相互__________
2．摩擦起电：当两个物体互相摩擦时，一些束缚得不紧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_________
3．感应起电：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______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，这种现象叫做静电感应．利用_____________使金属导体带电的过程叫做感应起电．
二、电荷守恒定律和元电荷
1．电荷守恒定律：电荷既不会________也不会________，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_______保持不变．
2．电荷守恒定律另一表述是：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的_________保持不变．
3．元电荷：____________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________元电荷e的数值最早是由美国物理学家__________测得的，在我们的计算中，可取e＝__________
【自主预习答案】一、1．(1)正、负、正、负、
(2)排斥，、吸引．
2．负电，正电．
3．远离、异号、同号、静电感应
二、1．创生，消灭，总量
2．代数和
3．最小的电荷量、e的整数倍．密立根e＝1.60×10－19 C.
【问题探究】
一、对三种起电方式的理解
【自主阅读教材回答下列问题】　
(1)用丝绸摩擦玻璃棒，玻璃棒带何种电荷？用毛皮摩擦橡胶棒，橡胶棒带何种电荷？使玻璃棒和橡胶棒带电的原因是什么？
(2)如图所示，取一对用绝缘柱支撑的导体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．
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？
(3)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？
【答案】　(1)玻璃棒带正电，橡胶棒带负电．丝绸摩擦玻璃棒时，玻璃棒上的电子向丝绸转移，玻璃棒失去电子带正电，丝绸得到电子带负电；毛皮摩擦橡胶棒时，毛皮上的电子向橡胶棒转移，橡胶棒得到电子带负电，毛皮失去电子带正电．
(2)①C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；
③A、B接触，金属箔片都闭合．
(3)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中电子数量减少，因此带正电．
【知识深化】
三种起电方式的比较
摩擦起电
感应起电
接触起电
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
原因
不同物质对电子的束缚能力不同．束缚能力强的得电子，带负电；束缚能力弱的失电子，带正电
导体中的自由电荷在电荷间相互作用下发生转移，使靠近带电体一端所带的电荷电性与带电体相反；远离带电体一端与带电体所带电荷电性相同
在电荷间相互作用下，电子从一个物体转移到另一个物体上
实质
电荷在物体之间或物体内部的转移
【例1】　(多选)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电子和质子
B．两种不同材料的绝缘体互相摩擦后，同时带上等量异种电荷
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形成的
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
【答案】　BD
【解析】　摩擦起电实质是由于两个物体的原子核对核外电子的约束能力不相同，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．使物体带电并不是创造出电荷．
【例2】如图所示，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(　　)
A．不带电 B．带正电 C．带负电 D．不能确定
【答案】　C
【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C.
【题后反思】
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，如图甲所示．
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，如图乙、丙所示．
二、电荷守恒定律　元电荷
【自主阅读教材回答下列问题】
(1)在摩擦起电过程中，一个物体带上了正电荷，另一个物体带上了负电荷，该过程是否创造了电荷？在一个封闭的系统中，电荷的总量会增多或减少吗？
(2)物体所带的电荷量可以是任意的吗？物体所带的电荷量可以是4×10－19 C吗？
(3)电子和质子就是元电荷吗？
【答案】　(1)摩擦起电的过程并没有创造电荷．一个封闭的系统中，电荷的总量保持不变．
(2)物体所带的电荷量不是任意的，它只能是1.60×10－19 C的整数倍．由于4×10－19 C是1.60×10－19 C的2.5倍，所以物体所带的电荷量不能是4×10－19 C.
(3)元电荷是最小的电荷量，不是物质；电子和质子是实实在在的粒子，不是元电荷．
【知识深化】
1．使物体带电的实质不是创造了电荷，而是物体所带的电荷发生了转移，也就是物体间或物体内部电荷的重新分布．
2．电荷的中和是指带等量异号电荷的两物体接触时，经过电子的转移，物体达到电中性的过程．
3．导体接触带电时电荷量的分配与导体的材料、形状、大小有关，当两个完全相同的金属球接触后，电荷量将平均分配，即最后两个球一定带等量的同种电荷．
4．元电荷
(1)元电荷是最小的电荷量，而不是实物粒子，元电荷无正、负之分．
(2)虽然质子、电子的电荷量等于元电荷，但不能说质子、电子是元电荷．
(3)电子的比荷：电子的电荷量e与电子的质量me之比，叫做电子的比荷．
【例3】　完全相同的两金属小球A、B带有相同大小的电荷量，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大？
(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大？
【答案】　(1)2∶3　(2)2∶1
【解析】　(1)设A、B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A带正电，B带负电，且所带电荷量大小均为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＝＝.
【题后反思】
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(无法确定电荷量的多少)或均呈电中性．
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
【例4】放在绝缘支架上的两个完全相同的金属小球A、B分别带有电荷量QA＝6.4×10－9 C、QB＝－3.2×10－9 C，让两个金属小球接触，在接触过程中，电子如何转移？转移了多少个？
【答案】　电子由B球转移到A球　3.0×1010个
【解析】　两小球接触时，电荷量少的负电荷先被中和，剩余的正电荷再重新分配，由于两小球相同，剩余正电荷一定平分，即接触后两小球带电荷量
QA′＝QB′＝
＝ C
＝1.6×10－9 C
在接触过程中，电子由B球转移到A球，自身的净电荷全部中和后，继续转移，使B球带QB′的正电，这样共转移的电荷量为
ΔQ＝QB′－QB＝1.6×10－9 C－(－3.2×10－9 C)＝4.8×10－9 C
则转移的电子数
n＝＝(个)＝3.0×1010(个)．
三、验电器的原理和使用
验电器的两种应用方式及原理
(1)带电体接触验电器：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，金属箔片张开的角度也越大，如图5甲．
(2)带电体靠近验电器：当带电体靠近验电器的金属球时，带电体会使验电器的金属球感应出异种电荷，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，如图乙．
【例5】使带电的金属球靠近不带电的验电器，验电器的金属箔片张开，如图表示验电器上感应电荷的分布情况，正确的是(　　)

【答案】　B
【解析】　把带电金属球移近不带电的验电器，会改变验电器上的电荷分布；由于电荷间同性相斥、异性相吸，使得验电器上靠近带电金属球的一端和其电性相反，而远离带电金属球的一端和其电性相同，故选项B正确.
【课堂练习】
1．感应起电和摩擦起电都能使物体带电，关于这两种带电过程，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．
2．如图所示，在感应起电中，带负电小球P靠近带绝缘底座的导体MN时，M处将(　　)
A．带负电 B．带正电
C．不带电 D．以上答案均有可能
【答案】　A
【解析】　这是感应起电，当带负电小球靠近带绝缘底座的导体时，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，左端的负电荷受到排斥力运动到右侧，所以N处带正电，M处带负电，故A正确．
3．(验电器的原理)如图7所示，用丝绸摩擦过的玻璃棒和验电器的金属球接触，使验电器的金属箔片张开，关于这一现象，下列说法正确的是(　　)
A．两片金属箔片上带异种电荷 B．两片金属箔片上均带负电荷
C．金属箔片上有电子转移到玻璃棒上 D．将玻璃棒移走，则金属箔片立即合在一起
【答案】　C
【解析】　自然界只存在两种电荷，正电荷和负电荷．用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，若将其接触验电器的金属球，此时两个箔片上均带正电荷；在此过程中，一部分电子会从验电器向玻璃棒转移；移走玻璃棒后，箔片仍带电，不会立即合在一起，选项C正确．
4．有三个相同的金属小球A、B、C，其中小球A带有2.0×10－5 C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
【解析】　小球C先与球A接触后平分A的电荷，则qA＝qC＝＝1.0×10－5 C，再让小球B与球A接触后分开，则qA′＝qB＝＝5×10－6 C；最后让小球B与小球C接触后分开，则qB′＝qC′＝＝7.5×10－6 C.