2020_2021学年高中物理第一章静电场1电荷及其守恒定律学案新人教版选修3_1

电荷及其守恒定律
1．电荷
(1)概念：自然界中共有两种电荷，即正电荷和负电荷，其作用的基本特点是：同种电荷相互接近则互相排斥，异种电荷相互接近则互相吸引．
(2)使物体带电的方法有三种：即摩擦起电、接触起电、感应起电，其实质都是电子的转移．
①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：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，远离的一端带同种电荷，这种现象叫静电感应．利用静电感应使金属导体带电的过程叫感应起电．
③接触起电：一个带电物体如果接触另一个导体，电荷会转移到这个导体上，使这个导体也带电，这种现象称为接触起电．
物理学中对正电荷和负电荷是怎样规定的？
提示：人们规定：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．电荷守恒定律
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．
甲、乙两同学各拿一带电小球做实验，不小心两小球接触了一下，结果两小球都没电了！电荷哪里去了呢？消失了？请你帮他们解释一下原因．
提示：两同学手中的小球发生了电荷的中和现象．所谓电荷的中和现象是指带有等量异种电荷的物体当发生接触时，带负电的那个物体会将多余的电子传给因缺少电子而带正电的物体，使得两个物体的原子都恢复电中性的过程．其本质仍然是电荷从一个物体转移到另一个物体，电荷没有“消失”．
3．元电荷
(1)电荷量：它表示电荷的多少，其单位是库仑，简称为库，用C表示．
(2)元电荷：最小的电荷量叫做元电荷，用e表示，e＝1.60×10－19
C.
(3)比荷：即电荷量与质量的比．电子的比荷为＝
C/kg≈1.76×1011
C/kg.
知道了元电荷的概念之后，你认为物体的带电荷量是任意的，还是某些特殊值？
提示：只能是某些特殊值．所有带电体的电荷量或者等于e，或者是e的整数倍．也就是说，电荷量是不能连续变化的物理量．
考点一
三种起电方式
1．物体带电的本质
物质由中性的原子组成，原子由原子核和核外电子组成，电子带负电，原子核带正电；由中性原子组成的物体，对外表现为不带电状态，物体呈电中性；呈电中性的物体失去电子带正电，得到电子带负电，物体带电的实质是电子的得失．
在物体内部，原子核是相对固定的，内部的质子更不能脱离原子核而移动，而离核较远的核外电子容易受到外界的作用而脱离原子，所以起电过程中转移的都是核外的电子.
2．接触起电过程中电子转移的规律
带正电的物体与带负电的物体接触，电子由带负电的物体转移到带正电的物体上．
带正电的物体与不带电的中性导体接触，电子由中性导体转移到带正电的物体上．
带负电的物体与不带电的中性导体接触，电子由带负电的物体转移到中性导体上．
3．感应起电
(1)感应起电的操作步骤
①使带电体C(如带正电)靠近接触的两导体A、B
②保持C不动，用绝缘工具分开A、B
③移走C，则A带负电，B带正电
(2)感应起电判断方法
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，带同种电荷．
4．三种起电方式的比较
方式内容　　　
摩擦起电
感应起电
接触起电
产生及条件
两种不同绝缘体摩擦时
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，且电性与原带电体“近异远同”
导体上带上与带电体相同电性的电荷
?1?感应起电成功的关键在于先分开两物体?或先断开接地线?然后再移去带电体.
?2?感应起电只适用于导体，绝缘体因其无自由移动的电子而不会感应起电.
?3?摩擦起电中对原子核外电子束缚能力差的物体失去电子而带正电，对原子核外电子束缚能力强的物体得到电子而带负电.
5．验电器的工作原理
(1)当带电的物体与验电器的金属球接触时，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．物体带电越多，转移的电荷越多，两金属箔片的斥力越大，张开的角度也越大．
(2)当带电体靠近但不接触验电器的金属球时，金属箔片也可张开．因为带电体会使近端金属球上感应出异种电荷，而远端箔片上会感应出同种电荷(感应起电)，在斥力作用下箔片张开．
【例1】　(多选)如图所示，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(　　)
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
解答本题时应把握以下三点：
(1)明确导体A、B接触与C球靠近时感应电荷的分布．
(2)明确先分开导体A、B再移走C球时A、B的带电情况．
(3)明确先移走C球再分开导体A、B时A、B的带电情况．
【答案】　AB
【解析】　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正确．
C移近A后保持不动，把A、B分开，A、B仍带等量的异种感应电荷，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．
若先移走C，再把A、B分开，则在移走C后，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．
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．
总结提能
感应起电的判断方法
(1)当一个带电体靠近导体时，产生静电感应现象，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)凡是遇到接地问题时，该导体与地球可视为一个导体，而且该导体可视为近端物体，带异种电荷，地球就成为远端导体，带同种电荷．
(3)绝缘体不能被感应起电．感应起电的实质是导体中的正负电荷在带电体的作用下，发生了分离．只有导体中的电子才能自由移动，而绝缘体上的电子不能自由地移动，所以导体能够发生感应起电，而绝缘体不能．
(多选)关于摩擦起电现象，下列说法正确的是(　BD　)
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
解析：摩擦起电的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．
考点二
对电荷守恒定律的理解
1．对“关键词”的理解
中性：电中性的物体是带有电荷的，只是正负电荷代数和为0，对外不显电性；
中和：电荷的中和是指电荷的种类、数量满足异号等量时，正负电荷代数和为0；
总量：指电荷的代数和；
转移：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，物体所带电荷发生重新分配．
2．守恒定律的意义
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，任何电现象都遵守电荷守恒定律，涵盖了包括近代物理实验发现的微观粒子在变化中遵守的规律．如：一个高能光子可以产生一个正电子和一个负电子；一对正、负电子可同时湮没，转化为光子；一个中子衰变成一个质子和一个电子．在这种情况下，带电粒子总是成对产生或湮没，电荷的代数和不变．因此电荷守恒定律也可以叙述为：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变．
“中性”、“中和”一字之差，本质不同，中性侧重的是结果，中和侧重的是过程.
【例2】　半径相同的两金属小球A、B带有相同的电荷量，相隔一定的距离，今让第三个半径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之比为多大？
解答本题时应把握以下三点：
(1)两球带同种电荷时，接触后两球将总电荷量平分．
(2)两球带异种电荷时，接触后两球先中和后将剩余电荷量再平分．
(3)C球接触A后带上了一定量的电荷，再与B接触，电荷重新分配．
【答案】　(1)2?3　(2)2?1
【解析】　(1)A、B带同种电荷，设电荷量为Q，C与A接触后，由于形状相同，二者平分电荷量，A、C所带的电荷量均为Q.C与B接触后平分二者电荷量，则B、C的电荷量均为(Q＋Q)＝Q，A、B最终的电荷量之比为QQ＝2?3.
(2)A、B带异种电荷，设电荷量分别为Q、－Q，A、C接触后，平分电荷量，A、C的电荷量均变为Q，C与B接触后，平分二者的电荷量，C、B的电荷量均为(Q－Q)＝－Q，则A、B最终的电荷量之比为Q?|－Q|＝2?1.
总结提能
接触起电的判断方法
两个完全相同的导体球相互接触后的电荷的分配规律：
(1)若为带电导体球和不带电导体球接触，则电荷平分；
(2)若两个带电导体球带同种电荷，则总电荷平分；
(3)若两个带电导体球带异种电荷，则先中和再平分．
有两个完全相同的带电绝缘金属小球A、B，分别带有电荷量QA＝6.4×10－9
C，QB＝－3.2×10－9
C，让两绝缘金属小球接触，在接触过程中，电子如何转移并转移了多少？
答案：电子由B球转移到A球，转移了3.0×1010个．
解析：当两个小球接触时，带电荷量少的负电荷先被中和，剩余的正电荷再重新分配．由于两小球相同，剩余正电荷必均分，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，不仅将自身电荷中和，且继续转移，使B球带QB′的正电，这样共转移的电子电荷量为
ΔQB＝QB′－QB＝1.6×10－9
C－(－3.2×10－9)
C
＝4.8×10－9
C
转移的电子数n＝＝
＝3.0×1010个．
1．(多选)把两个完全相同的金属球A和B接触一下，再分开一段距离，发现两球之间互相排斥，则A、B两球原来的带电情况可能是(　BCD　)
A．带等量异种电荷
B．带等量同种电荷
C．带不等量异种电荷
D．一个带电，另一个不带电
解析：两球接触后所带总电荷量等于原来各自电荷量的代数和，每个球所带电荷量为总电荷量的一半．因此只要两球原来不带等量异种电荷，则总电荷量不为零，分开后两球就带同种电荷，有相互作用的斥力．
2．(多选)如图所示，挂在绝缘细线下的轻质小球，由于电荷的相互作用而靠近或远离，所以(　BC　)
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．乙图中两球至少有一个带电
解析：若两球相互吸引，可能是两球带异种电荷，也可能只有一个小球带电另一个小球不带电，而两球互相排斥，只有两球带同种电荷这一种情况．
3．关于电荷量，下列说法错误的是(　A　)
A．物体带的电荷量可以是任意值
B．物体带的电荷量只能是某些值
C．物体带电荷量的最小值为1.6×10－19
C
D．一个物体带1.6×10－9
C的正电荷，这是它失去了1.0×1010个电子的缘故
解析：任何带电体所带的电荷量均是元电荷的整数倍，元电荷是最小的电荷量，故A错，B、C正确；每个电子所带电荷量为1.60×10－19
C，一个物体带1.6×10－9
C的正电荷，说明该物体失去电子，失去电子的数量为＝1.0×1010个，故D正确．
4．(多选)用与丝绸摩擦过的玻璃棒(带正电)去吸引细碎的锡箔屑，发现锡箔屑被吸引到玻璃棒后又迅速向空中散开．对于这一过程，下列分析正确的是(　BD　)
A．锡箔屑被吸引到玻璃棒上时会获得电子而带负电
B．锡箔屑被吸引到玻璃棒上时会失去电子而带正电
C．迅速向空中散开主要是因为锡箔屑与玻璃棒碰撞导致
D．迅速向空中散开主要是因为锡箔屑与玻璃棒接触后带正电被排斥所致
解析：摩擦起电时，对电子束缚能力强的物体获得电子而带负电，对电子束缚能力弱的物体失去电子而带正电；异种电荷相互吸引，同种电荷相互排斥，带电体能吸引不带电的轻小物体；一个带正电的物体能够吸引另一个物体，则另一个物体带负电或不带电．锡箔屑被吸引到玻璃棒上时会失去电子而带正电，故A错误，B正确；最后锡箔屑散开主要是因为锡箔屑带正电，同种电荷相互排斥导致，故C错误，D正确．
5．干燥的天气一个人脱了鞋在地毯上走，身上聚集了－48.0
μC的净电荷．此人身上有多少个净剩余电子？他的质量增加了多少？(电子质量me＝
9.1×10－31
kg，电子电荷量e＝－1.6×10－19
C,1
μC＝10－6
C)
答案：3.0×1014个　2.73×10－16
kg
解析：人身上聚集的电子个数
n＝＝个＝3.0×1014个．
由于人身上多了n个电子，他的质量增加
m＝nme＝3.0×1014×9.1×10－31
kg
＝2.73×10－16
kg.
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