高中物理人教版选修3-1 学案 第一章 第1节 　电荷及其守恒定律 Word版含解析

第1节　电荷及其守恒定律
1．知道自然界中的两种电荷：正电荷、负电荷，及电荷间的相互作用。
2．知道使物体带电的三种方式：摩擦起电、接触带电、感应起电。
3．理解摩擦起电、感应起电、接触带电的实质，从而认识和理解电荷守恒定律。
4．知道元电荷的概念。
1.原子结构及电荷
(1)原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成，通常原子核的正电荷数与电子的负电荷数相等，物体表现为电中性，即不带电。
(2)金属中离原子核最远的电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由活动，这种电子叫做自由电子。
(3)自然界的两种电荷
①正电荷：丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷。
②负电荷：毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷。
③同号电荷互相排斥，异号电荷互相吸引。
2．三种起电方式
使物体带电的方式有三种：(1)摩擦起电；(2)感应起电；(3)接触起电。摩擦起电中，得到电子的带负电，失去电子的带正电。感应起电的结果是：对靠近带电体的导体而言近端是异号电荷，远端是同号电荷，即“近异远同”。两个相同的金属导体接触后电荷平分，必然带等量同号电荷。
3．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。
4．元电荷
(1)电荷量
物体所带电荷的多少叫做电荷量，用符号Q(或q)表示。在国际单位制中，电荷量的单位是库仑，简称库，符号C。正电荷的电荷量为正值，负电荷的电荷量为负值，如q1＝＋3.0×10－15 C，q2＝－1.2×10－15 C。
(2)元电荷
电荷量是不能连续变化的物理量，最小电荷量就是电子所带的电荷量。人们把这个最小的电荷量叫元电荷，用e表示，e＝1.60×10－19_C。质子或电子所带的电荷量就是元电荷。任何带电体的电荷量都是元电荷的整数倍。
(3)比荷：带电体的电荷量与质量之比。

(1)下图是部分不同物质的原子核对电子束缚能力强弱的排序图，毛皮与图中的什么物体摩擦最容易起电，它们摩擦后毛皮带正电还是负电？
提示：由图可知，毛皮束缚电子的能力最弱，梳子束缚电子的能力最强，故毛皮与梳子摩擦最容易起电；毛皮失去电子带正电，梳子得到电子带负电。
(2)小明这样描述一道题目，其中有一句：“……有一个物体带5.0×10－18 C的电荷量……”，关于该物体的带电量你认为可能吗？
提示：不可能。因为＝＝31.25，不是正整数，即物体的电荷量不等于元电荷的整数倍，故是不可能的。
课堂任务　电荷　摩擦起电
　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：丝绸摩擦过的玻璃棒为什么带正电，丝绸带电吗？
提示：丝绸与玻璃棒摩擦的过程中，双方的外层电子由于摩擦获得能量而变得活跃，丝绸束缚电子的能力较强，在摩擦的过程中会获得电子而带负电，而玻璃棒相比较而言束缚电子的能力较弱，就失去电子而带正电。
活动2：橡胶棒与任何物体摩擦都带负电吗？
提示：橡胶棒与毛皮相比束缚电子的能力较强，故在与其相互摩擦过程中会获得电子而带负电，但是如遇到比它对电子束缚能力更强的物体它也会失去电子而带正电。
活动3：将丝绸摩擦过的玻璃棒与毛皮摩擦过的橡胶棒相互靠近时，会发生什么现象？
提示：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，问题中的玻璃棒和橡胶棒带电一正一负，故相互吸引。
活动4：讨论、交流、展示，得出结论。
(1)两种电荷
自然界中有两种电荷，为正电荷和负电荷。与丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷相同的是正电荷，与毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷相同的是负电荷。
(2)两种电荷的相互作用
同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。
(3)摩擦起电的原理
①物质靠原子核中带正电的质子对核外带负电的电子的吸引力束缚电子，因为核内质子数不同，物质的结构也不相同，故束缚力不相同。
②在两物体相互摩擦的过程中，束缚电子能力强的会从对方得到电子而带负电，束缚电子能力弱的会失去电子而带正电。
例1　有甲、乙、丙三个小球，将它们两两靠近，它们都相互吸引，如图所示。那么，下列说法正确的是(　　)
A．三个小球都带电
B．只有一个小球带电
C．只有一个不带电，另两个小球带同种电荷
D．只有一个不带电，另两个小球带异种电荷
(1)电荷间的相互作用规律是什么？
提示：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。
(2)怎么知道一个物体是否带电？
提示：①用验电器检验。②看其是否可以吸引不带电的轻小物体。③看是否与另一个物体相互排斥。
[规范解答]　三个小球两两相互吸引，不可能都带电，因为如果都带电，必有两个小球带同种电荷，相互靠近时必相排斥；也不可能只有一个带电，因为如果只有一个带电，另两个不带电的小球靠近时将不会有作用力，所以只能是一个不带电，另两个小球带异种电荷，D正确。
[完美答案]　D
(1)物体带电只有两种可能，即带正电荷或带负电荷。同号电荷相互排斥，异号电荷相互吸引。
(2)带电物体具有吸引不带电轻小物体的性质，这是类似于静电感应的一种表现。
(多选)如图所示，挂在绝缘细线下的小轻质通草球，由于电荷的相互作用而靠近或远离，所以(　　)
A．甲图中两球一定带异种电荷
B．乙图中两球一定带同种电荷
C．甲图中两球至少有一个带电
D．乙图中两球只有一个带电
答案　BC
解析　两小球相互排斥，必定带同号电荷；两小球相互吸引，二者可能带异号电荷，也可能一个带电，另一个不带电。当只有一个物体带电时，不带电物体由于受到带电物体电荷的作用，原子内部的异种电荷趋向于靠近带电物体，同种电荷趋于远离带电物体，这一过程类似于静电感应，因此两物体之间的吸引力大于排斥力，宏观上显示的是吸引力。综上所述，B、C正确。
课堂任务　静电感应
　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：把带正电荷的球C移近导体A，金属箔有什么变化？说明什么问题？
提示：会发现两箔片均张开，表明A、B两导体均带了电。
活动2：若将C移走会发生什么现象？若保持C不动，先把A和B分开，然后移去C，结果又怎样？若先将C移开，再让A和B接触，又会看到什么？说明了什么？
提示：(1)若将C移走会发现A、B两导体的金属箔立即闭合。(2)若保持C不动，先把A和B分开，再移走C，可以看到金属箔仍张开。(3)在C移开的前提下再让A和B接触，会发现A、B上的两金属箔片又均闭合。说明A和B在静电感应中所带的是等量异种电荷。
活动3：若保持C位置不动，并保持A、B始终接触，用手触摸一下A或B，再移开C会发生什么现象？
提示：两箔片都处于张开状态，A、B带同种电荷。原因是触摸A或B时，大地变为远端，和A、B组成一个整体，手移开后再将C移开时，A、B已无法和大地进行电荷转移。
活动4：讨论、交流、展示，得出结论。
(1)静电感应的原因：导体内有大量的自由电子，当带电体靠近导体时，导体中的自由电子会受到吸引或排斥。
(2)静电感应现象：带电体靠近导体，使导体靠近带电体一端带异号电荷，远离带电体一端带同号电荷的现象。利用静电感应使物体带电的过程，叫做感应起电。
例2　如图，把一个不带电的与外界绝缘的导体两端分别接上两个开关，当带正电小球靠近时，由于静电感应，在a、b端分别出现正、负电荷，则以下说法正确的是(　　)
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
(1)K1、K2的作用相同吗？
提示：K1、K2的作用完全一样，因为都是把导体与大地相连，让导体成为带正电小球的近端，大地成为远端。
(2)K1或K2与大地相连后，导体带什么电，电荷怎么转移的？
提示：K1或K2与大地相连后，导体带负电，有电子从大地向导体转移。
[规范解答]　当闭合任何一个开关以后，a、b端均为近端，大地才是远端。根据静电感应“近异远同”，导体带负电，大地感应出等量正电荷，因此无论闭合K1还是K2，都有电子从大地流向导体，C正确，A、B、D错误。
[完美答案]　C
导体一旦跟大地接触，大地才是远端。此时无论是导体的哪一部分跟大地相连，导体都为近端，同时遵循“近异远同”的原则。
　如图所示，A、B是两个带有绝缘支架的金属球，它们原来均不带电，并彼此接触。现使带负电的橡胶棒C靠近A(C与A不接触)，然后先将A、B分开，再将C移走。关于A、B的带电情况，下列判断正确的是(　　)
A．A带正电，B带负电 B．A带负电，B带正电
C．A、B均不带电 D．A、B均带正电
答案　A
解析　带负电的橡胶棒C靠近A时，A球会感应出正电荷，而B球会感应出负电荷。先把金属球A和B分开，再移走C，金属球A上的正电荷与B上的负电荷将不再变化，所以此时A带正电，B带负电。故A正确。
课堂任务　电荷守恒定律
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：如图甲两个完全相同的金属小球，一个带电＋Q，一个不带电，接触一下后再分开，两小球的带电情况如何？
提示：因为是相同的金属小球，它们对电子的束缚能力是一样的，要有多余电子也都会有多余电子，要缺少电子也都会缺少电子，而且数量相同，故两小球接触一下后再分开，会各带＋的电荷量。
活动2：如图乙两个完全相同的带不等电荷量不同电性的金属小球，接触一下后再分开，两小球的带电情况如何？
提示：从图看C缺少电子，D有多余电子，故D先向C转移电子，当转移电荷量为Q的电子后，此时D仍多余电荷量为2Q的电子，还要被C、D的原子通过原子核吸引，由于束缚能力一样，故最后各分得电荷量为Q的负电荷。
活动3：由图甲、乙的情形看，电子在转移的过程中，电荷有没有产生和消失？
提示：尽管图乙中有中和现象，但不是电荷的消失，只是正电荷和负电荷电性抵消。从图甲、乙情形中小球接触电荷发生重新分配来看，电荷既没产生也没消失。
活动4：讨论、交流、展示，得出结论。
(1)电荷守恒定律的理解
①电荷既不会创生，也不会消失，它只能从一个物体转移到另一个物体(摩擦起电、接触带电)，或者从物体的一部分转移到另一部分(感应起电)，在转移的过程中，电荷的总量保持不变。
②在一定条件下，带电粒子可以产生和湮没。但带电粒子总是成对产生或湮没的，两个粒子带电数量相等且正负相反，所以电荷的代数和保持不变。
(2)物体带电的实质：物体带电不是创造了电荷，物体不带电也不是消灭了电荷。物体带电的实质是电荷发生了转移，也就是物体间或物体内部电荷的重新分配。摩擦起电、感应起电和接触起电，均符合电荷守恒定律。
(3)三种起电方式的比较
方式
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
续表
方式
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号电荷，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约束力不同，摩擦时会出现电子从一物体转移到另一物体上的现象
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
(4)验电器检验电荷原理
①同种电荷互相排斥。
②电荷量越大金属箔的张角越大。
③可以接触带电检验也可以静电感应检验，两种方式不太一样。甲图是静电感应检验，乙图是接触带电检验。
例3　(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1.6×10－15 C，丙物体带电8×10－16 C。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8×10－16 C
B．乙物体可能带有负电荷2.4×10－15 C
C．丙物体一定带有正电荷8×10－16 C
D．丙物体一定带有负电荷8×10－16 C
(1)甲、乙两物体摩擦后带电特点是什么？
提示：甲、乙会带等量异种电荷。
(2)乙、丙物体接触后带电特点是什么？
提示：乙、丙会带同种电荷。
[规范解答]　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1.6×10－15 C而带正电，乙物体得到电子而带1.6×10－15 C的负电荷；乙物体与不带电的丙物体接触，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，由电荷守恒定律可知，乙最终所带负电荷为1.6×10－15 C－8×10－16 C＝8×10－16 C，故B、C错误，A、D正确。
[完美答案]　AD
原来不带电的物体，相互摩擦必然会带上等量异种电荷。相互接触的物体会带同种电荷，如果是相同的物体接触后带的电荷量会相等；不管何种情况，接触后电荷量的代数和与接触前的代数和相等。
　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　因a带正电，b带负电，异种电荷相互吸引，轻质小球a将向b靠拢并与b接触。若a、b原来所带电荷量不相等，则当a与b接触后，两球先中和一部分原来电荷，然后将剩余的电荷重新分配，这样就会带上同种电荷(正电或负电)，由于同种电荷相互排斥，两球将会被排斥开。若a、b原来所带电荷量相等，则a、b接触后完全中和而都不带电，a、b自由分开。B正确。