高中物理 第1章 静电场 第1节 静电现象及其微观解释教学案 鲁科版选修3-1

第1节 静电现象及其微观解释1.自然界中有两种电荷，富兰克林把它们命名为正、负电荷，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。2使物体带电的三种方式：摩擦起电、接触起电、感应起电。任何方式起电的实质都是电荷的转移，起电的过程中遵循电荷守恒定律。3电子或质子所带的电荷量是最小的电荷量，这个电荷量叫元电荷，e1.61019 C。4两个完全相同的带电小球，其电荷量为q1、q2，则接触后带电的原则是先中和后平分，每个小球的电荷量为，q1、q2包含了电性。一、静电的产生1三种起电方式(1)摩擦起电：通过摩擦的方式使物体带电。(2)接触起电：通过与带电体接触的方式使物体带电。(3)感应起电：通过静电感应使物体带电。2两种电荷及其相互作用(1)两种电荷：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)相互作用：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。3静电感应：导体因受附近带电体的影响而带电的现象。二、原子结构与电荷守恒1原子结构如图111所示图111原子2电荷守恒定律电荷既不能创造，也不能消灭，只能从物体的一部分转移到另一部分，或者从一个物体转移到另一个物体。在任何转移的过程中，电荷的总量不变。3物体带电的实质物体带电的实质是电子的转移。4元电荷(1)电荷的多少叫电荷量，其单位是“库仑”，简称“库”，用C表示。(2)最小的电荷量叫元电荷，用e表示，则e1.601019 C。(3)对元电荷的三点理解：a.元电荷没有正、负之分，也不是实物粒子；b.质子及电子所带电荷量的绝对值与元电荷相等，但不能说它们是元电荷；c.电荷量不能连续变化，自然界中带电体的电荷量都是元电荷e的整数倍。三、静电的应用与防护1静电的应用(1)原理：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，利用静电力控制带电粒子的运动或分布。(2)应用：静电应用有激光打印、静电喷雾、静电除尘、静电喷涂等。2静电的防护(1)静电危害产生原因：静电力和静电火花。(2)防护方法：尽快把静电导走，如印刷车间内保持适当的湿度，传送带上镀银，油罐车车尾拖地铁链等。1自主思考判一判(1)只有导体才能发生感应起电。()(2)两个物体之间或物体的各部分之间能转移的是电子和正电荷。()(3)电荷的中和现象实质是正、负电荷的结合过程。()(4)在电荷转移和重新分配的过程中，对整个系统而言，电荷是守恒的。()(5)室内栽花种草可有效防止静电。()(6)家用电器上的接地线能防止静电危害。()2合作探究议一议(1)一般情况下物体不带电，不带电的物体内是否存在电荷？提示不带电的物体内存在电荷，且存在等量的正、负电荷，在物体内中和，对外不显电性。(2)电子、质子是元电荷吗？提示不是。元电荷是最小的带电单位，没有正、负，不是带电粒子。虽然电子、质子所带电荷量的绝对值与元电荷相等，但电子、质子是实实在在的粒子，不是元电荷。(3)运输易燃易爆品的油罐车为何总有根金属链拖在地上？提示汽车行驶时，油和油罐摩擦起电，电荷聚积到一定程度会火花放电引起火灾，用铁链将电荷及时导入大地，避免火灾。三种起电方式的对比摩擦起电感应起电接触起电产生及条件两不同绝缘体摩擦时导体靠近带电体时导体与带电导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”导体带上与带电导体电性相同的电荷原因不同物质的原子核对核外电子的束缚力不同而发生电子得失导体中的自由电子受带正(负)电物体吸引(排斥)而靠近(远离)电荷之间的相互作用实质均为电荷在物体之间或物体内部的转移典例如图112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()图112A把C移近导体A时，A、B上的金属箔片都不张开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上的金属箔片闭合思路点拨C移近时A、B端电荷分布解析(1)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，其下部贴有的金属箔片，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错误。(2)C靠近后保持不动，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仍带等量的异种感应电荷，此时即使再移走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。(3)先移走C，再把A、B分开，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。(4)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。答案B感应起电的判断方法(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，地球为远端物体，带同种电荷。1M和N是两个都不带电的物体。它们互相摩擦后，M带正电荷1.601019 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N转移到MCN在摩擦后一定带负电荷1.601019 CDN在摩擦过程中失去1.601019 C个电子解析：选CM和N相互摩擦，M带正电是因为M对核外电子的束缚能力小而失去核外电子的结果；由于电荷守恒，故N一定带等量负电荷，选项C正确。2使带电的金属球靠近不带电的验电器，验电器的箔片张开。下图中表示验电器上感应电荷的分布情况，正确的是()解析：选B带电的金属球靠近不带电的验电器时，在验电器上感应出异种电荷，使验电器的顶端带上了异种电荷，金属箔片带上了同种电荷。3.如图113所示，把一个不带电的枕形导体靠近带正电的小球，闭合S1或S2，由于静电感应，枕形导体两端带上异种电荷，则以下说法正确的是()图113A闭合S1，有电子从枕形导体流向大地B闭合S2，有电子从枕形导体流向大地C闭合S1，有电子从大地流向枕形导体D闭合S2，没有电子通过S2解析：选C在S1、S2都闭合前，对于枕形导体，它的电荷是守恒的，a、b出现的负、正电荷等量。当闭合S1、S2中的任何一个以后，便把导体与大地连通，使大地也参与了电荷转移。因此，导体本身的电荷不再守恒，而是导体与大地构成的系统电荷守恒。由于静电感应，a端仍为负电荷，大地远处感应出等量的正电荷，因此，无论闭合S1还是S2都有电子从大地流向导体，故选C。电荷守恒定律的应用1如何深刻理解电荷守恒定律？(1)“中性”“中和”的本质电中性的物体是有电荷存在的，只是代数和为0，对外不显电性；电荷的中和是指电荷的种类、数量达到异号、等量时，正负电荷代数和为0。(2)“总量”含义：指电荷的代数和。(3)起电过程中电荷变化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，也就是物体所带电荷的重新分配。(4)守恒的广泛性电荷守恒定律与能量守恒定律一样，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，涵盖了包括近代物理实验发现的微观粒子在变化中遵循的规律。2完全相同的导体球接触带电时电量如何分配？形状、大小都相同的导体接触时会将电荷量平分。(1)用带电量为Q的金属球与不带电的金属球接触，每个小球带电量均为Q/2，且所带电荷的性质相同。(2)用带电量为Q1的金属球与带电量为Q2的金属球接触，若两球带同种电荷，则每个小球所带电量为总电量的一半。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。1(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，得知甲物体带正电荷1.61015 C，丙物体带电荷量的大小为81016 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81016 CB乙物体可能带有负电荷2.41015 CC丙物体一定带有正电荷81016 CD丙物体一定带有负电荷81016 C解析：选AD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带1.61015 C的正电荷，乙物体得到电子而带1.61015 C的负电荷；乙物体与不带电的丙物体相接触，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，由电荷守恒可知乙最终所带负电荷为1.61015 C81016 C81016 C，故A、D正确。2有两个完全相同的带电绝缘金属球A、B，分别带有电荷量QA6.4109 C，QB3.2109 C，让两绝缘金属球接触。在接触后，A、B带电荷量各是多少？此过程中电荷发生了怎样的转移，转移了多少？解析：当两球接触时，带电荷量少的负电荷先被中和，剩余的正电荷再重新分配。由于两球相同，剩余正电荷必均分，即接触后两球带电荷量QAQB C1.6109 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的正电荷。这样，共转移的电子电荷量为：QQBQB(3.21091.6109) C4.8109 C。答案：均为1.6109 C电子由B球转移到了A球，转移了4.8109 C1下列说法中错误的是()A用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电B用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电C摩擦起电就是因摩擦而创造了电荷D摩擦起电是因为电子从一个物体转移到另一个物体解析：选C丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，毛皮摩擦过的橡胶棒带负电，这是两种典型的摩擦起电，选项A、B正确。因为电荷既不能创造，也不能消灭，只能从一个物体转移到另一个物体，或从物体的一部分转移到另一部分，所以任何起电方式的本质都是使电荷发生转移，不可能创造电荷，选项C错误，选项D正确。2下列说法正确的是()A物体所带的电荷量可以为任意实数B不带电的物体上，既没有正电荷也没有负电荷C摩擦起电过程，是靠摩擦产生了电荷D利用静电感应使金属导体带电，实质上是导体中的自由电子趋向或远离带电体解析：选D自然界中的电荷量不是任意无限可分的，其最小单位为元电荷所带的电荷量1.601019C，故选项A错误；物体不带电，是由于其内部正、负电荷的量值相等，对外不显电性，故选项B错误；电荷既不能创造，也不能消灭，摩擦起电同样不能创造电荷，是一个物体失去电子、另一个物体得到电子的过程，选项C错误；自由电子是金属导体中的自由电荷，在带电体的作用下，导体中的自由电子会趋向或远离带电体，使导体两端带等量异种电荷，选项D正确。3(多选)关于元电荷的下列说法中正确的是()A元电荷实质上是指电子和质子本身B所有带电体的电荷量一定等于元电荷的整数倍C元电荷的值通常取e1.601019 CD电荷量e的数值最早是由美国科学家密立根用实验测得的解析：选BCD实验得出，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。电荷量e的数值最早是由美国物理学家密立根测得的。由以上可知正确选项为B、C、D。4保护知识产权，抵制盗版是每个公民的责任与义务。盗版书籍不但影响我们的学习效率，甚至会给我们的学习带来隐患。某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据看不清，只能看清是9._1018 C，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数据中的哪一个()A9.21018 CB9.41018 CC9.61018 C D9.81018 C解析：选C任何物体的电荷量都是元电荷1.61019 C的整数倍。5下列现象中，跟静电无关的是()A冰箱的门能关得很紧，从而保证了密封性很好B打开水龙头，将梳过头的梳子靠近细细的水流，水流会偏转C在干燥的天气里，脱毛衣时听到噼里啪啦的响声，还会有点电火花D把气球在头发上摩擦几下，拿到手臂旁，手臂上的汗毛会被吸引而竖起来解析：选A冰箱的门能关得很紧，从而保证了密封性很好，是因为冰箱的橡胶门封条具有磁性，能把门吸附在箱体上，与静电现象无关；梳子梳头发，摩擦起电，使梳过头的梳子带电，而水流是导体，当此梳子与细细的水流靠近时，水流会因感应而起电，梳子与水流相互吸引，从而使水流向着梳子的方向偏转；化纤衣服因摩擦起电，产生了静电荷，脱衣服时，静电荷之间放电，产生电火花，这一现象与静电有关；气球与头发摩擦后，由于摩擦起电，气球带电，而带电的物体具有吸引轻小物体的性质，所以手臂上的汗毛会被气球吸引而竖起来。故选项A与静电无关。6. (多选)如图1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，c排斥a，c排斥b，d吸引b，则()图1A有两个小球带同种电荷B有三个小球带同种电荷Cc、d小球带同种电荷Dc、d小球带异种电荷解析：选BD由d吸引a，d吸引b可知a与b带同种电荷，且与d带异种电荷；由c排斥a，c排斥b可知c与a、b带同种电荷，c与d带异种电荷。故选项B、D正确。7. (多选)如图2所示，是一个带正电的验电器，当一个金属球A靠近验电器上的金属小球B时，验电器中金属箔片的张角减小，则()图2A金属球A可能不带电B金属球A一定带正电C金属球A可能带负电D金属球A一定带负电解析：选AC验电器上的金属箔片和金属球都带有正电荷，金属箔片之所以张开，是由于箔片上的正电荷互相排斥造成的。当验电器金属箔片的张角减小时，说明箔片上的正电荷一定比原来减少了，由于金属球A只是靠近验电器而没有与验电器上的金属球B发生接触，要考虑感应起电的影响。当金属球A靠近时，验电器的金属球B、金属杆包括金属箔片整体相当于一个导体，金属球A离金属球B较近，而离金属箔片较远。如果金属球A带正电，验电器上的正电荷一定向远处移动，则金属箔片上的电荷量不会减少，所以选项B是错误的。如果金属球A带负电，验电器上的正电荷会由于引力作用向近端移动，造成金属箔片上的电荷量减少，所以选项C是正确的。如果金属球A不带电，由于受到金属球B上正电荷的影响，金属球A上靠近B的部分也会由于静电力的作用出现负电荷，而这些负电荷反过来会使得验电器上的正电荷向金属球B移动，效果与金属球A带负电荷一样。所以选项A也是正确的，选项D是错误的。8给你两个带绝缘支架的相同金属小球A、B，一块丝绸，一根玻璃棒。你能使这两个小球带等量异种电荷吗？解析：如图所示，将两个金属球相互接触，用丝绸摩擦玻璃棒，玻璃棒上便带上正电荷，然后将玻璃棒靠近B球右侧，由于静电感应，左侧A球带正电，右侧B球带负电，最后，保持玻璃棒不动，再用绝缘支架把两金属球分开，这样两金属球便带上了等量异种电荷。答案：见解析9. (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3所示。对上述现象的判断与分析，下列说法正确的是()图3A摩擦使笔套带电B笔套靠近圆环时，圆环上、下部感应出异号电荷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解析：选ABC绝缘材料做的笔套与头发摩擦，摩擦使笔套带电，选项A正确；笔套靠近圆环时，圆环上、下部感应出异号电荷，选项B正确；圆环被吸引向上运动，一定是静电力的合力大于圆环的重力，选项C正确；因圆环原来不带电，笔套与头发摩擦后带电，故笔套碰到圆环后，笔套所带的电荷没有全部被中和，选项D错误。10. (多选)如图4所示为科技馆里一个趣味体验项目的简化图，核心装置为一个金属球，在干燥的空气里，体验者双脚站在绝缘凳上，右手按在金属球上，并远离周围其他物体。一条特殊传送带(图中未画出)给金属球不断地输送电荷，过一段时间后，体验者的头发便会四处散开，甚至倒立，十分有趣，在此状态下，下列分析正确的是()图4A若用左手也去摸金属球，会被电击B若用左手与旁边的观众握手，会被电击C若右手离开金属球，则头发会立刻恢复常态D若右手离开金属球而且走下绝缘凳，头发会立刻恢复常态解析：选BD若用左手也去摸金属球，不会有电流产生，不会被电击，选项A错误；若用左手与旁边的观众握手，会发生放电现象而被电击，选项B正确；若右手离开金属球，电荷不会转移，则头发仍然四处散开，选项C错误；若右手离开金属球而且走下绝缘凳，则电荷将进入大地，人体将不再带电，头发会立刻恢复常态，选项D正确。11半径相同的两个金属小球A、B带有相等的电荷量，相隔一定的距离，现让第三个半径相同的不带电的金属小球先后与A、B接触后再移开。(1)若A、B带同种电荷，求接触后两球所带的电荷量之比。(2)若