（山東省專用）2018-2019學(xué)年高中物理 第一章 靜電場 第1節(jié) 電荷及其守恒定律講義（含解析）新人教版選修3-1.doc

第1節(jié)電荷及其守恒定律1.自然界中有兩種電荷，富蘭克林把它們命名為正、負(fù)電荷，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。2使物體帶電的方式有三種：摩擦起電、感應(yīng)起電、接觸起電，這三種起電方式本質(zhì)都是電子的轉(zhuǎn)移，起電的過程遵循電荷守恒定律。3用橡膠棒與毛皮摩擦，毛皮帶正電，用絲綢與玻璃棒摩擦，玻璃棒帶正電，可以記為：“毛玻璃帶正電”。4電子或質(zhì)子所帶的電荷量是最小的電荷量，這個電荷量叫元電荷，用e表示，e1.601019 C。5兩個完全相同的帶電小球相互接觸后總電荷平均分配。如果兩個小球帶異種電荷，則先中和再均分。一、電荷及三種起電方式 1物質(zhì)的電結(jié)構(gòu)原子由帶正電的原子核和帶負(fù)電的核外電子組成，原子核的正電荷的數(shù)量跟核外電子的負(fù)電荷的數(shù)量相等，所以整個原子對外界較遠(yuǎn)位置表現(xiàn)為電中性。金屬原子中離原子核較遠(yuǎn)的電子，往往會脫離原子核的束縛而在金屬中自由活動，這種能自由活動的電子叫做自由電子，失去電子的原子便成了帶正電的離子。2兩種電荷及其相互作用規(guī)律自然界中只有兩種電荷，富蘭克林把用絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷命名為正電荷，把用毛皮摩擦過的硬橡膠棒所帶的電荷命名為負(fù)電荷，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。3三種起電方式(1)接觸起電：指一個不帶電的金屬導(dǎo)體跟另一個帶電的金屬導(dǎo)體接觸后分開，而使前者帶上電荷的方式。(2)摩擦起電：由于相互摩擦的物體間的電子的得失而使原來不帶電的物體分別帶上等量異種電荷。(3)感應(yīng)起電：把一帶電物體靠近導(dǎo)體使導(dǎo)體帶電的方式。如圖所示，將帶電體C去靠近相互接觸的導(dǎo)體A、B，由于同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引，導(dǎo)體A、B上分別帶上等量異種電荷，這時先把A、B分開，然后移去C，則A和B兩導(dǎo)體上分別帶上了等量異種電荷。二、電荷守恒定律及元電荷1電荷守恒定律(1)內(nèi)容：電荷既不會創(chuàng)生，也不會消滅，它只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分；在轉(zhuǎn)移過程中，電荷的總量保持不變，這個結(jié)論叫做電荷守恒定律。(2)另一種表述：一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)，電荷的代數(shù)和保持不變。2元電荷(1)電荷量：用來表示電荷的多少。其單位是“庫侖”，簡稱“庫”，用C表示。(2)元電荷最小的電荷量叫做“元電荷”，用e表示，則e1.601019 C。對元電荷的三點(diǎn)理解：a.元電荷沒有正、負(fù)之分，也不是實(shí)物粒子；b.質(zhì)子及電子所帶電荷量的絕對值與元電荷相等，但不能說它們是元電荷；c.電荷量不能連續(xù)變化，自然界中帶電體的電荷量都是元電荷e的整數(shù)倍。3比荷：電荷量與質(zhì)量的比。電子的比荷為1.761011 C/kg。1自主思考判一判(1)絲綢與任何物體摩擦后都帶負(fù)電。()(2)兩物體摩擦后，一定帶等量異種電荷。()(3)將帶電體靠近驗(yàn)電器金屬球和帶電體與驗(yàn)電器金屬球接觸，驗(yàn)電器箔片都會張開，但二者本質(zhì)不同。()(4)元電荷實(shí)質(zhì)上是指電子和質(zhì)子本身。()(5)一個帶正電的金屬球與一個不帶電的金屬球接觸，帶正電的金屬球電荷量減少是因?yàn)閹д娊饘偾虻牟糠终姾赊D(zhuǎn)移到不帶電的金屬球中。()2合作探究議一議(1)不帶電的物體內(nèi)部是否有電荷？提示：不帶電的物體內(nèi)部有電荷，正負(fù)電荷電量相同，故對外不顯電性。(2)帶有等量異號電荷的金屬球接觸后會發(fā)生電荷的中和，此時電荷被消滅了嗎？提示：中和時，系統(tǒng)所帶電荷的代數(shù)和不變，電荷并沒有消失，只是正、負(fù)電荷數(shù)相等，從而對外顯電中性。三種起電方式1三種起電方式的比較摩擦起電感應(yīng)起電接觸起電產(chǎn)生條件兩種物體摩擦導(dǎo)體靠近帶電體導(dǎo)體與帶電體接觸現(xiàn)象兩物體帶上等量異種電荷導(dǎo)體兩端出現(xiàn)等量異種電荷，且電性與原帶電體“近異遠(yuǎn)同”導(dǎo)體帶上與帶電體相同電性的電荷原因不同物質(zhì)的原子核對核外電子的束縛力不同而發(fā)生電子得失導(dǎo)體中的自由電子受帶正(負(fù))電物體吸引(排斥)而靠近(遠(yuǎn)離)自由電荷在帶電體與導(dǎo)體之間發(fā)生轉(zhuǎn)移2三種起電方式的本質(zhì)三種起電方式都不是創(chuàng)造了電荷，只是電荷從一個物體轉(zhuǎn)移到了另一個物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到了另一部分，它們的本質(zhì)都是電荷的轉(zhuǎn)移，電荷總量保持不變。典例多選如圖所示，A、B為相互接觸并用絕緣支柱支持的金屬導(dǎo)體，起初都不帶電，在它們的下部貼有金屬箔片，C是帶正電的小球，下列說法正確的是()A把C移近導(dǎo)體A時，A、B上的金屬箔片都張開B把C移近導(dǎo)體A，先把A、B分開，然后移去C，A、B上的金屬箔片仍張開C把C移近導(dǎo)體A，先把C移走，再把A、B分開，A、B上的金屬箔片仍張開D把C移近導(dǎo)體A，先把A、B分開，再把C移走，最后重新讓A、B接觸，A上的金屬箔片張開，而B上的金屬箔片閉合 解析A、B開始都不帶電，把C移近導(dǎo)體A時，由于靜電感應(yīng)，A、B中的自由電子向左移動，使得A端積累負(fù)電荷，B端積累正電荷，所以兩邊的金屬箔片都張開，A對；若此時先把A、B分開再移走C，因A、B已經(jīng)絕緣，所帶電荷量不會變，金屬箔片仍張開，B正確；但如果先移走C，A、B上的感應(yīng)電荷會馬上中和，不再帶電，所以金屬箔片都不會張開，C錯誤；先把A、B分開，再移走C，A、B仍然帶電，但重新讓A、B接觸后，A、B上的感應(yīng)電荷完全中和，金屬箔片都不會張開，D錯誤。答案AB(1)只有導(dǎo)體中的電子才能自由移動，絕緣體中的電子不能自由移動，所以導(dǎo)體能夠發(fā)生感應(yīng)起電，而絕緣體不能。(2)凡是遇到接地問題時，該導(dǎo)體與地球可視為一個導(dǎo)體，而且該導(dǎo)體可視為近端，帶異種電荷，地球就成為遠(yuǎn)端，帶同種電荷。1兩金屬小球所帶電荷量分別為3Q和Q，將兩小球接觸后，它們所帶的電荷量一共為()A3QB2QCQDQ解析：選B由電荷守恒定律知，兩小球接觸后帶電荷量的總量為中和后剩余量，即Q總3QQ2Q，故選項(xiàng)B正確。2如圖所示，在用絲綢摩擦玻璃棒起電的過程中( )A玻璃棒帶正電，絲綢不帶電B絲綢與玻璃棒帶電情況完全相同C玻璃棒中的負(fù)電荷轉(zhuǎn)移到絲綢上，絲綢帶負(fù)電D絲綢中的正電荷轉(zhuǎn)移到玻璃棒上，玻璃棒帶正電解析：選C絲綢摩擦玻璃棒，玻璃棒帶正電，絲綢帶負(fù)電，A、B選項(xiàng)錯誤；微觀解釋是玻璃棒上的電子轉(zhuǎn)移到絲綢上，玻璃棒帶正電，絲綢帶負(fù)電，選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)D錯誤。3.如圖所示，用起電機(jī)使金屬球A帶正電，靠近驗(yàn)電器B，則()A驗(yàn)電器的金屬箔片不張開，因?yàn)榍駻沒有和B接觸B驗(yàn)電器的金屬箔片張開，因?yàn)檎麄€驗(yàn)電器都帶上了正電C驗(yàn)電器的金屬箔片張開，因?yàn)檎麄€驗(yàn)電器都帶上了負(fù)電D驗(yàn)電器的金屬箔片張開，因?yàn)轵?yàn)電器下部的兩金屬箔片都帶上了正電解析：選D帶正電的A球靠近驗(yàn)電器B，據(jù)電荷“同性斥、異性吸”的特點(diǎn)知，驗(yàn)電器金屬桿下端箔片中的電子會被A球上的正電荷吸引到驗(yàn)電器上端，則金屬桿下端的箔片就會因帶正電荷而相斥，使箔片張開，故選D。電荷守恒定律的理解及應(yīng)用1“中性”與“中和”的理解(1)中性：物體內(nèi)有電荷存在，但正、負(fù)電荷的絕對值相等，對外不顯電性。(2)中和：兩個帶有等量異種電荷的帶電體相遇達(dá)到電中性的過程。2守恒的廣泛性電荷守恒定律同能量守恒定律一樣，是自然界中最基本的規(guī)律，任何電現(xiàn)象都不違背電荷守恒定律，也涵蓋了近代物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的微觀粒子在變化中遵守的規(guī)律。如：由一個高能光子可以產(chǎn)生一個正電子和一個負(fù)電子，一對正、負(fù)電子可同時湮滅，轉(zhuǎn)化為光子。在這種情況下，帶電粒子總是成對產(chǎn)生或湮滅，電荷的代數(shù)和不變。3兩金屬導(dǎo)體接觸后電荷量的分配規(guī)律(1)當(dāng)兩個導(dǎo)體材料、形狀不同時，接觸后再分開，只能使兩者均帶電，但無法確定電荷量的多少。(2)若使兩個完全相同的金屬球帶電荷量大小分別為q1、q2，則有1多選把兩個完全相同的金屬球A和B接觸一下，再分開一段距離，發(fā)現(xiàn)兩球之間相互排斥。則A、B兩球原來的帶電情況可能是()A帶有等量異種電荷B帶有不等量異種電荷C帶有等量同種電荷D一個帶電，另一個不帶電解析：選BCD兩個完全相同的金屬球若帶有等量的異種電荷，接觸后將均不帶電，若帶同種電荷，或一個帶電，另一個不帶電，接觸后均帶同種電荷，兩球間存在相互排斥力，故B、C、D均正確，A錯誤。2多選半徑相同的兩個金屬小球A、B帶有相等的電荷量，相隔一定的距離，今讓第三個半徑相同的不帶電的金屬小球先后與A、B接觸后移開。這時，A、B兩球的電荷量之比為()A23B32C21D12解析：選AC若A、B兩球帶等量的同種電荷，電荷量都為Q，則讓第三個半徑相同的不帶電的金屬小球先后與A、B兩球接觸后移開，A、B兩球所帶的電荷量大小分別為、，則接觸后A、B兩球的電荷量之比為23；若A、B兩球帶等量的異種電荷，電荷量大小都為Q，則讓第三個半徑相同的不帶電的金屬小球先后與A、B兩球接觸后移開，A、B兩球所帶的電荷量大小分別為、，則接觸后A、B兩球的電荷量之比為21。故選A、C。3有兩個完全相同的帶電絕緣金屬小球A、B，分別帶有電量QA6.4109 C，QB3.2109 C，讓兩絕緣金屬小球接觸，接觸后A、B所帶的電荷量各是多少？在接觸過程中，電子如何轉(zhuǎn)移并轉(zhuǎn)移了多少？解析：當(dāng)兩小球接觸時，帶電量少的負(fù)電荷先被中和，剩余的正電荷再重新分配。由于兩小球相同，剩余正電荷必均分，即接觸后兩小球帶電量QAQB C1.6109 C。在接觸過程中，電子由B球轉(zhuǎn)移到A球，不僅將自身電荷中和，且繼續(xù)轉(zhuǎn)移，使B球帶QB的正電，這樣，共轉(zhuǎn)移的電子電量為QQBQB3.2109 C1.6109 C4.8109 C。故轉(zhuǎn)移的電子數(shù)n3.01010(個)。答案：均為1.6109 C電子由B球轉(zhuǎn)移到了A球，共轉(zhuǎn)移了3.01010個1關(guān)于摩擦起電、傳導(dǎo)起電、感應(yīng)起電，下列說法錯誤的是( )A這三種方式都產(chǎn)生了電荷B這是起電的三種不同方式C這三種起電方式的實(shí)質(zhì)是一樣的，都是電子在轉(zhuǎn)移D這三種方式都符合電荷守恒定律解析：選A摩擦起電的實(shí)質(zhì)是電子從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，即說明了電荷可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。摩擦起電現(xiàn)象說明機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為電能，但并沒有創(chuàng)造電荷，電荷只是發(fā)生轉(zhuǎn)移。感應(yīng)起電過程電荷在電場力作用下，從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，電荷可以從帶電的物體轉(zhuǎn)移到原來不帶電的物體是傳導(dǎo)起電。這三種方式都沒有產(chǎn)生電荷，A錯誤；摩擦起電、傳導(dǎo)起電、感應(yīng)起電是起電的三種不同方式，B正確；這三種起電方式的實(shí)質(zhì)是一樣的，都是電子的轉(zhuǎn)移，C正確；這三種方式都符合電荷守恒定律，D正確。2多選關(guān)于元電荷的理解，下列說法正確的是( )A元電荷就是電子B元電荷是表示1 C電量C元電荷是表示跟電子所帶電荷量數(shù)值相等的電荷量D物體所帶的電荷量只能是元電荷的整數(shù)倍解析：選CD元電荷是最小帶電荷量，大小為e1.601019 C，跟電子或質(zhì)子所帶電荷量相等，不是電荷種類，任何帶電體的電荷量都為元電荷的整數(shù)倍，故C、D正確。3將一束塑料扎帶一端打結(jié)，另一端撕成細(xì)條后，用手迅速捋細(xì)條，觀察到細(xì)條散開了，如圖所示。下列關(guān)于細(xì)條散開現(xiàn)象的分析中，正確的是( )A由于摩擦起電，細(xì)條帶同種電荷，相互排斥散開B撕成細(xì)條后，所受重力減小，細(xì)條自然松散C撕成細(xì)條后，由于空氣浮力作用使細(xì)條散開D細(xì)條之間相互感應(yīng)起電，相互排斥散開解析：選A塑料細(xì)條與手摩擦帶電，塑料細(xì)條上帶的是同種電荷，同種電荷相互排斥，所以塑料細(xì)條會向四周散開，捋的次數(shù)越多，塑料細(xì)條帶電越多，排斥力越多，下端散開的就越大；故B、C、D錯誤，A正確。4.如圖所示，某次實(shí)驗(yàn)老師用絲綢摩擦過的玻璃棒(帶正電)去吸引細(xì)碎的錫箔屑，發(fā)現(xiàn)錫箔屑被吸引到玻璃棒上后又迅速地向空中散開，下列說法正確的是()A錫箔屑被吸引過程會因?yàn)楂@得電子而帶負(fù)電B錫箔屑被吸引過程有減速過程C最后錫箔屑散開主要是因?yàn)榕鲎矊?dǎo)致D散開時錫箔屑帶正電解析：選D玻璃棒靠近錫箔屑，使錫箔屑發(fā)生感應(yīng)起電，故A錯誤；錫箔屑被吸引過程是加速過程，故B錯誤；最后錫箔屑散開主要是因?yàn)殄a箔屑帶正電，同種電荷相互排斥，故C錯誤，D正確。5M和N是兩個原來都不帶電的物體，它們互相摩擦后，N帶正電荷。下列判斷正確的是( )A在摩擦前M和N的內(nèi)部沒有任何電荷B摩擦的過程中電子從N轉(zhuǎn)移到MCM在摩擦過程中創(chuàng)造了正電荷DN在摩擦過程中得到電子解析：選B原來不帶電的物體處于電中性，不是沒有任何電荷，而是正負(fù)電荷的個數(shù)相等，相互抵消，故A錯誤；摩擦起電中移動的是自由電子，失去電子的物體帶正電，得到電子的物體帶負(fù)電，故摩擦起電中N失去電子，轉(zhuǎn)移到了M物體上，故B正確，C、D錯誤。6多選用金屬箔做成一個不帶電的圓環(huán)，放在干燥的絕緣桌面上。小明同學(xué)用絕緣材料做的筆套與頭發(fā)摩擦后，將筆套自上向下慢慢靠近圓環(huán)，當(dāng)距離約為0.5 cm時圓環(huán)被吸引到筆套上，如圖所示。對上述現(xiàn)象的判斷與分析，下列說法正確的是( )A筆套與頭發(fā)的接觸使筆套帶電B筆套靠近圓環(huán)時，圓環(huán)上、下部感應(yīng)出異號電荷C圓環(huán)被吸引到筆套的過程中，圓環(huán)所受靜電力的合力大于圓環(huán)的重力D筆套碰到圓環(huán)后，筆套所帶的電荷立刻被全部中和解析：選BC筆套與頭發(fā)摩擦后，摩擦使筆套帶電，故A錯誤；帶電的筆套靠近圓環(huán)時，圓環(huán)感應(yīng)出異號電荷，B正確；當(dāng)距離約為0.5 cm時圓環(huán)被吸引到筆套上，是因?yàn)閳A環(huán)所受靜電力的合力大于圓環(huán)的重力，產(chǎn)生了加速度，故C正確；筆套碰到圓環(huán)后，筆套所帶的電荷沒有被中和，還帶電，故D錯誤。7如圖所示，把一個不帶電且與外界絕緣的導(dǎo)體兩端分別設(shè)計上兩個開關(guān)，當(dāng)帶正電的小球靠近時，由于靜電感應(yīng)，在a、b端分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷，則以下說法中正確的是()A閉合K1，有電子從導(dǎo)體流向大地B閉合K2，有電子從導(dǎo)體流向大地C閉合K2，有電子從大地流向?qū)wD閉合K1，沒有電子通過解析：選CK1、K2閉合前，由于靜電感應(yīng)和電荷守恒定律，a、b出現(xiàn)等量異種電荷，當(dāng)閉合任何一個開關(guān)以后，整個導(dǎo)體與大地連接，都是電子從大地被吸引過來，故C正確。8如圖所示，將帶正電的金屬小球接觸原來不帶電的驗(yàn)電器A端之后拿走。關(guān)于驗(yàn)電器的帶電情況正確的是( )AA端帶正電，B端帶正電BA端帶負(fù)電，B端帶負(fù)電CA端帶負(fù)電，B端帶正電DA端帶正電，B端帶負(fù)電解析：選A用帶正電的小球去接觸驗(yàn)電器的金屬球，驗(yàn)電器中的電子將被吸附到帶電小球上去，故驗(yàn)電器帶上正電，A、B兩端電性相同；故A正確。9多選如圖所示為科技館里一個趣味體驗(yàn)項(xiàng)目的簡化圖，核心裝置為一個金屬球，在干燥的空氣里，體驗(yàn)者雙腳站在絕緣凳上，右手按在金屬球上，并遠(yuǎn)離周圍其他物體。一條特殊傳送帶(圖中未畫出)給金屬球不斷地輸送電荷，過一段時間后，體驗(yàn)者的頭發(fā)便會四處散開，甚至倒立，十分有趣，在此狀態(tài)下，下列分析正確的是()A若用左手也去摸金屬球，會被電擊B若用左手與旁邊的觀眾握手，會被電擊C若右手離開金屬球，則頭發(fā)會立刻恢復(fù)常態(tài)D若右手離開金屬球而且走下絕緣凳，頭發(fā)會立刻恢復(fù)常態(tài)解析：選BD若用左手也去摸金屬球，不會有電流產(chǎn)生，不會被電擊，選項(xiàng)A錯誤；若用左手與旁邊的觀眾握手，會發(fā)生放電現(xiàn)象而被電擊，選項(xiàng)B正確；若右手離開金屬球，電荷不會轉(zhuǎn)移，則頭發(fā)仍然四處散開，選項(xiàng)C錯誤；若右手離開金屬球而且走下絕緣凳，則電荷將進(jìn)入大地，人體將不再帶電，頭發(fā)會立刻恢復(fù)常態(tài)，選項(xiàng)D正確。10.如圖所示，左邊是一個原先不帶電的導(dǎo)體，右邊C是后來靠近導(dǎo)體的帶正電金屬球，若用絕緣工具沿圖示某條虛線將導(dǎo)體切開，分導(dǎo)體為A、B兩部分，這兩部分所帶電荷量的數(shù)值分別為QA、QB，則下列結(jié)論正確的有()A沿虛線d切開，A帶負(fù)電，B帶正電，且QBQAB只有沿虛線b切開，才有A帶正電，B帶負(fù)電，且QBQAC沿虛線a切開，A帶正電，B帶負(fù)電，且QBQAD沿任意一條虛線切開，都有A帶正電，B帶負(fù)電，而QA、QB的值與所切的位置有關(guān)解析：選D靜電感應(yīng)使得A帶正電，B帶負(fù)電。導(dǎo)體原來不帶電，只是在C的電荷的作用下，導(dǎo)體中的自由電子向B部分移動，A部分轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目和B部分多余的電子的數(shù)目是相同的，因此無論從哪一條虛線切開，兩部分的電荷量總是相等的。由于電荷之間的作用力與距離有關(guān)，自由電子在不同位置所受C的作用力的強(qiáng)弱是不同的，這樣導(dǎo)致電子在導(dǎo)體上的分布不均勻，越靠近右端負(fù)電荷密度越大，越靠近左端正電荷密度越大，所以從不同位置切開，QA、QB的值是變化的，故只有D正確。11有三個相同的絕緣金屬小球A、B、C，其中A小球帶有3103 C的正電荷，B小球帶有2103 C的負(fù)電荷，小球C不帶電。先讓小球C與小球A接觸后分開，再讓小球B與小球A接觸后分開，最后讓小球B與小球C接觸后分開，試求這時三個小球的帶電荷量分別為多少？解析：總電荷量是守恒的，小球接觸后平分電荷量；C、A接觸后，A、C都帶 C1.5103 C的正電荷量，讓小球B與小球A接觸后分開，A、B都帶 C2.5104 C的負(fù)電荷量，最后讓小球B與小球C接觸后，B、C都帶 C6.25104 C的正電荷量。故最終三小球的帶電荷量分別為qA2.5104 C，qB6.25104 C，qC6.25104 C。答案：qA2.5104 CqB6.25104 CqC6.25104 C12有兩個完全相同的絕緣金屬球A、B，A球所帶電荷量為q，B球所帶電荷量為q，現(xiàn)要使A、B球所帶電荷量都為，應(yīng)該怎樣實(shí)現(xiàn)？解析：法一：用手碰A球，A球失去電荷，將A、B球接觸，A、B兩球都帶上的電荷量，再用手碰A球，A球又失去電荷，再把A、B球接觸，則A、B球都帶上的電荷量。法二：用一個與A、B完全相同的不帶電的金屬球與A接觸，A球帶電量變?yōu)椋侔袮、B球接觸，A、B球帶電量都變?yōu)?。答案：見解?