2024-2025版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

PAGE12-电荷及其守恒定律目标导航思维脉图1.知道自然界中存在两种电荷且电荷间存在相互作用。 (物理观念)2.了解使物体带电的三种方法。理解物体带电的本质。 (科学思维)3.理解电荷守恒定律,会运用电荷守恒定律说明生活中的静电现象。 (物理观念)4.驾驭电荷量、元电荷的概念。 (物理观念)必备学问·自主学习一、电荷1.两种电荷:自然界只存在两种电荷,即正电荷和负电荷。2.电荷间的作用:同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。二、摩擦起电和感应起电1.摩擦起电:当两个物体相互摩擦时,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(1)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号电荷,远离带电体的一端带同号电荷,这种现象叫作静电感应。利用静电感应使金属导体带电的过程叫作感应起电。(2)画出导体两端A、B所带电荷的正负。提示:三、电荷守恒定律及元电荷1.电荷守恒定律的两种表述方式(1)电荷既不会创生,也不会歼灭,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)一个与外界没有电荷交换的系统,电荷的代数和保持不变。2.元电荷(1)电荷量:电荷的多少叫电荷量,常用符号Q或q表示,其国际单位是库仑,符号为C。(2)元电荷:科学试验发觉质子和电子所带的电荷量最小,这个最小的电荷量叫元电荷,用e表示,在计算中通常取e=1.60×10-19C。3.电子的比荷:电子的电荷量e跟电子的质量me之比。(1)对于一个带电体,所带电荷量的数值是随意的。 (×)(2)全部带电体,所带电荷量均是元电荷的整数倍。 (√)(3)物体带电是指有多余电荷,如物体带正电,是指物体失去相等的负电荷,从而带正电荷。 (√)(4)物体带电量的最小值为元电荷,即为1.6×10-19C。 (√)(5)带电体发生中和现象时,正、负电荷都消逝了。 (×)关键实力·合作学习学问点一三种起电方式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物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”导体上带上与带电体相同电性的电荷缘由不同物质的原子核对核外电子的束缚实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)电荷之间的相互排斥提示:三种起电方式的本质:三种起电方式都不是创建了电荷,只是电荷从一个物体转移到了另一个物体,或者从物体的一部分转移到了另一部分,它们的本质都是电荷的转移,电荷总量保持不变。情境:某人用丝绸摩擦过的玻璃棒去靠近验电器,验电器的金属片张开。(1)玻璃棒是通过什么方式带电的?提示:玻璃棒摩擦起电。(2)验电器的金属片是通过什么方式带电,带的什么电?提示:验电器的金属片感应起电,带正电。(3)若玻璃棒接触金属球,金属片是否张开?此时金属片是通过什么方式带电?提示:金属片仍旧张开,此时金属片接触起电。【典例】(多选)如图所示,将带有负电的绝两个不带电的导体球(甲、乙),且对地绝缘,下列方法中能使两球都带电的是 ()A.先把两球分开,再移走棒B.先移走棒,再把两球分开C.,再移走棒D.,再移走棒【审题关键】序号信息提取①靠近而不接触,产生感应起电②两个导体球此时可看为一个整体③产生接触起电④此时两个导体球与地球可看为一个整体【解析】选A、C、D。当带负电的绝缘棒移近两个不带电的导体球时,由于静电感应,甲球感应出正电荷,乙球感应出负电荷,把两球分开后,它们带上了等量异种电荷,A正确;若先将棒移走,则两球上原先感应出的异种电荷会马上中和,这时再分开两球,两球均不会带电,B错误;使棒与甲球瞬时接触,则两球会因此带上负电荷,C正确;若使乙球瞬时接地,则大地为远端,甲球为近端,由于静电感应甲球带正电,负电荷流入大地,再将棒移走,因为甲、乙两球是接触的,所以甲球上的电荷会重新分布在甲、乙两球上,结果是两球都带上了正电荷,D正确。感应起电中的接地问题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,带异种电荷,地球就成为远端,带同种电荷。1.如图所示,当将带正电荷的球C移近不带电的枕形金属导体时,枕形金属导体上电荷的移动状况是 ()A.枕形金属导体中的正电荷向B端移动,负电荷不移动B.枕形金属导体中的负电荷向A端移动,正电荷不移动C.枕形金属导体中的正、负电荷同时分别向B端和A端移动D.枕形金属导体中的正、负电荷同时分别向A端和B端移动【解析】选B。金属导体中能够移动的自由电荷是电子(负电荷),自由电子的移动导致A、B端带不同的电荷,B正确,A、C、D错误。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。下列各图表示验电器上感应电荷的分布状况,其中正确的是 ()【解析】选B。由于同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,所以验电器的上端应带上与小球异号的电荷,而验电器的箔片上将带上与小球同号的电荷;故A、C、D项错误,B项正确。【加固训练】如图所示,左边是一个原先不带电的导体,右边C是后来靠近的带正电的导体球,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QA>QBB.只有沿虚线b切开,才有A带正电,B带负电,且QA=QBC.沿虚线a切开,A带正电,B带负电,且QA<QBD.沿随意一条虚线切开,都有A带正电,B带负电,而QA、QB的值与所切的位置有关【解析】选D。静电感应使得A带正电,B带负电。导体原来不带电,只是在带正电的导体球C静电感应的作用下,导体中的自由电子向B部分转移,使B部分带了多余的电子而带负电;A部分少了电子而带正电。依据电荷守恒定律,A部分移走的电子数目和B部分多余的电子数目是相同的,因此无论从哪一条虚线切开,两部分的电荷量总是相等的,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的作用力的强弱是不同的,这样导致电子在导体上的分布不匀称,越靠近右端负电荷密度越大,越靠近左端正电荷密度越大,所以从不同位置切开时左右两部分所带电荷量的值QA、QB是不同的,故只有D正确。学问点二电荷守恒定律与电荷安排规律1.物体带电的实质使物体带电不是创建了电荷,也不是歼灭了电荷。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安排。摩擦起电、感应起电和接触起电,均符合电荷守恒定律。2.两个完全相同的导体接触,接触后的电荷分布规律(1)两个完全相同的导体,一个带电,另一个不带电。当两个导体接触后再分开时,两导体所带的电荷量相等,都等于原来电荷量的一半。(2)两个完全相同的导体,都带有肯定量的电荷,若两带电体的电荷量分别为Q1、Q2,则它们接触后再分开都带有的电荷量,式中电荷量Q1、Q2均包含它们的正负号。(3)两个完全相同的导体的电荷分布规律如图所示。图中的a、b两个导体球分别带有不等量的异种电荷,由于异种电荷相互吸引,两个小球接触然后分开。探讨:(1)两个导体球接触后,部分电荷中和,这些中和电荷被歼灭了吗?提示:中和时,系统所带电荷的代数和不变,电荷并没有消逝。(2)分开后,两个小球带电性质,带电量相同吗?提示:带电性质相同,带电量不同。【典例】有两个完全相同的带电绝缘金属球A、B,分别带有电荷量QA=6.4×10-9C,QB=-3.2×10-9C。问:(1)让两绝缘金属球接触后,A、B所带电荷量各是多少?此过程中电荷发生了怎样的转移,转移了多少?(2)A、B两球接触前固定好,让第三个与它们相同的不带电金属球C反复与A、B接触,最终A、B两球的电荷量和电性如何?【解题探究】(1)两金属球所带的总的电荷量是多少?提示:3.2×10-9C(2)C球与A、B金属球反复接触,最终三个金属球的带电量多少有什么特点?提示:最终三个金属球带的电荷量相等。【解析】(1)两球接触时,电荷量少的负电荷先被中和,剩余的正电荷再重新安排,即接触后两金属球的电荷量:QA′=QB′==C=1.6×10-9C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,电子接着转移,直至其带QB′的正电荷,共转移的电荷量为:ΔQ=QB′-QB=1.6×10-9C-(-3.2×10-9C)=4.8×10-9C;(2)由于三球完全相同,反复接触后三球最终电荷量相同,均分中和后的电荷量,故A、B均带正电,电荷量为:Q==C=×10-9C。答案:见解析接触起电的分析方法(1)导体接触带电物体时电荷量的安排与导体的形态、大小有关,当两个完全相同的金属球接触后,电荷将平均安排,即最终两个球肯定带等量的同种电荷。(2)若两个球原先带同种电荷,电荷量相加后均分;若两个球原先带异种电荷,则电荷先中和再均分。1.关于摩擦起电和感应起电的实质,下列说法正确的是 ()A.摩擦起电说明通过做功可以创建电荷B.摩擦起电说明电荷可以创建C.感应起电说明电荷可以从物体的一部分转移到物体的另一部分D.感应起电说明电荷从带电的物体转移到原来不带电的物体上去了【解析】选C。摩擦起电是电荷从一个物体转移到另一个物体,在转移过程中电荷总量是守恒的,故A、B错误;感应起电是电荷从物体的一部分转移到物体的另一部分,且在转移过程中电荷总量也是守恒的,并不是从带电的物体转移到原来不带电的物体,故C正确,D错误;故选C。2.完全相同的两个金属小球A、B带有等量电荷,相隔肯定的距离,现让第三个完全相同的不带电的金属小球C先后与A、B接触后移开。(1)若A、B两球带同种电荷,求完成题述的接触后A、B两球所带的电荷量之比;(2)若A、B两球带异种电荷,求完成题述的接触后A、B两球所带的电荷量大小之比。【解析】(1)若A、B两球带同种电荷,设电荷量均为Q;当A与C接触后,QA′=QC′=,C再与B接触后,QB′=QC″=,所以A与B两球所带电荷量之比为2∶3。(2)若A、B两球带异种电荷,设电荷量分别为Q、-Q;当A与C接触后,QA′=QC′=,C再与B接触后,QB′=QC″=-,所以A与B两球所带电荷量大小之比为2∶1。答案:(1)2∶3(2)2∶1【加固训练】1.(多选)如图所示用棉布分别与丙烯塑料板和乙烯塑料板摩擦,试验结果如图所示,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,肯定同时带上种类及数量不同的电荷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的物体摩擦,该物体所带电荷种类可能不同【解析】选C、D。两物体摩擦时是否得失电子取决于原子核对电子的束缚力大小,A错。由于摩擦起电的实质是电子的得失,所以两物体带电种类肯定不同,数量相等,B错,C对。由题中例子不难看出,同一物体与不同种类的物体摩擦,带电种类可能不同,D对。2.多少个电子的电荷量等于-32.0μC?干燥的天气中,一个人脱了鞋在地毯上行走,身上聚集的电荷量为-48.0μC。求共转移到此人身上多少个电子?(电子电荷量e=-1.6×10-19C,1μC=10-6C)【解析】n1==个=2.0×1014个。人身上聚集的电子个数n2==个=3.0×1014个。答案:2.0×1014个3.0×1014个【拓展例题】考查内容:验电器问题【典例】如图所示,用起电机使金属球A带正电,靠近验电器B,则 ()A.验电器的金属箔片不张开,因为球A没有和B接触B.验电器的金属箔片张开,因为整个验电器都带上了正电C.验电器的金属箔片张开,因为整个验电器都带上了负电D.验电器的金属箔片张开,因为验电器下部的两金属箔片都带上了正电【解析】选D。带正电的A球靠近验电器B,据电荷“同性斥、异性吸”的特点知,验电器金属杆下端箔片中的电子会被A球上的正电荷吸引到验电器上端,则金属杆下端的箔片就会因带正电荷而相斥,使箔片张开,故选D。情境·模型·素养将一束塑料包扎带一端打结,另一端撕成细条后,用手快速捋细条,视察到细条散开了,如图所示。探究:(1)细条是怎么带上电的?(2)细条散开的缘由是什么?【解析】(1)塑料包扎带与手摩擦带电。(2)塑料包扎带上带的是同种电荷,同种电荷相互排斥,所以塑料包扎带会向四周散开,捋的次数越多,塑料包扎带带电越多,排斥力越大,下端散开就越大。答案:见解析在我国北方天气干燥的季节,脱掉外衣后再去摸金属门把手时,经常会被电击。探究:为什么人会有电击的感觉?【解析】在天气干燥的时候,脱去外衣时,由于摩擦,外衣和身体都带了电,用手摸金属门把手时,身体通过门把手放电,于是产生电击的感觉。答案:见解析课堂检测·素养达标1.下列关于起电现象的描述,正确的是 ()A.摩擦起电的本质是产生了新的电荷B.两个完全一样的金属球,一球带电荷量为+0.4C,另一球带电荷量为-0.2C,两球接触后再分开,则每球带电荷量是+0.3CC.一带正电物体靠近不带电的导体时,不带电的导体将带负电荷D.无论通过何种方式使物体带电,本质都是电荷在物体之间或者内部转移,并没有创建新电荷【解析】选D。摩擦起电的本质是电荷的转移,不是产生了新的电荷,选项A错误;两个完全一样的金属球,一球带电荷量为+0.4C,另一球带电荷量为-0.2C,两球接触后再分开,电荷先中和后均分,则每球带电荷量是+0.1C,选项B错误;一带正电物体靠近不带电的导体时,不带电的导体近端将感应出负电,远端感应出正电,但是导体总电荷还是为零,选项C错误;无论通过何种方式使物体带电,本质都是电荷在物体之间或者内部转移,并没有创建新电荷,选项D正确。故选D。【加固训练】关于摩擦起电、接触起电、感应起电,下列说法错误的是 ()A.这三种方式都产生了电荷B.这是起电的三种不同方式C.这三种起电方式的实质是一样的,都是电子的转移D.这三种方式都符合电荷守恒定律【解析】选A。摩擦起电的实质是电子从一个物体转移到另一个物体,并没有创建电荷。感应起电是电荷从物体的一部分转移到另一部分。接触起电是电荷从带电的物体转移到原来不带电的物体。这三种方式都没有产生电荷,A错误;摩擦起电、接触起电、感应起电是起电的三种不同方式,B正确;这三种起电方式的实质是一样的,都是电子的转移,C正确;这三种方式都符合电荷守恒定律,D正确。2.(多选)下列说法正确的是 ()A.电子和质子都是元电荷B.一个带电体的电荷量为元电荷的205.5倍C.元电荷是最小的带电单位D.元电荷没有正、负之分【解题指南】解答本题须要留意以下两点(1)元电荷定义;(2)物体带电量为元电荷整数倍。【解析】选C、D。电子和质子都是带电粒子,而元电荷是最小的带电单位,带电体的带电荷量均为元电荷的整数倍;元电荷不是带电粒子,没有正、负之分,A、B错误,C、D正确。3.吉尔伯特制作了第一只验电器,后来,英国人格雷改进了验电器,其结构如图所示。验电器原来带正电,假如用一根带大量负电的金属棒接触验电器的金属球,金属箔的张角将 ()A.先变小后变大B.变大C.变小D.先变大后变小【解析】选A。带大量负电的金属棒接触验电器的金属球时,验电器上所带的正电荷先被负电荷中和,验电器带电量削减,金属箔张角变