2017-2018學年高中物理 第一章 靜電場 第1講 電荷 電荷守恒定律學案 教科版選修3-1.doc

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第1講 電荷 電荷守恒定律 [目標定位]　1.知道自然界中的兩種電荷及其相互作用的性質(zhì).2.知道使物體帶電的三種方式.3.掌握電荷守恒定律及元電荷的概念． 一、兩種電荷摩擦起電及解釋 1．自然界只存在兩種電荷，正電荷和負電荷．絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷叫做正電荷，毛皮摩擦過的硬橡膠棒所帶的電荷叫做負電荷．同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引． 2．電荷量：電荷的多少．在國際單位制中，電荷量的單位是庫侖，用字母C表示，1 μC＝10－6 C，1 nC＝10－9 C. 3．元電荷：一個電子所帶電荷量的絕對值為1.610－19 C，它是電荷的最小單位．記作e＝1.610－19 C. (1)任何帶電體所帶電荷量都是元電荷的整數(shù)倍． (2)質(zhì)子和電子所帶電荷量與元電荷相等，但不能說電子和質(zhì)子是元電荷． 4．摩擦起電及解釋 (1)摩擦起電：通過摩擦使物體帶電的方法． (2)電中性：原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成；核外有帶負電的電子，正常狀態(tài)下，原子內(nèi)的電子總數(shù)等于原子核內(nèi)的質(zhì)子總數(shù)，因而通常物體或者物體的任何一部分都不顯電性，稱之為電中性． (3)摩擦起電的解釋 當兩個物體相互摩擦時，一些束縛不緊的電子會從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，于是得到電子的物體帶負電，失去電子的物體則帶正電． 深度思考 有人說：一個帶電體所帶的電荷量為410－19 C，你認為他這種說法正確嗎？為什么？ 答案　不正確．任何帶電體所帶電荷量都是元電荷的整數(shù)倍，而410－19 C不是元電荷的整數(shù)倍，所以這種說法不正確． 例1　關(guān)于摩擦起電現(xiàn)象，下列說法正確的是(　　) A．摩擦起電現(xiàn)象使本來沒有電子和質(zhì)子的物體中產(chǎn)生了電子和質(zhì)子 B．兩種不同材料的絕緣體相互摩擦后，同時帶上等量異種電荷 C．摩擦起電，可能是因為摩擦導(dǎo)致質(zhì)子從一個物體轉(zhuǎn)移到了另一個物體而形成的 D．絲綢摩擦玻璃棒時，電子從玻璃棒上轉(zhuǎn)移到絲綢上，玻璃棒因質(zhì)子數(shù)多于電子數(shù)而顯正電 解析　摩擦起電實質(zhì)是由于兩個物體的原子核對核外電子的約束能力不同，因而電子可以在物體間轉(zhuǎn)移，若一個物體失去電子，其質(zhì)子數(shù)就會比電子數(shù)多，我們說它帶正電．若一個物體得到電子，其質(zhì)子數(shù)就會比電子數(shù)少，我們說它帶負電．使物體帶電并不是創(chuàng)造出電荷． 答案　BD 二、電荷守恒定律 內(nèi)容：電荷既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，它們只能從一個物體轉(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，也就是說，在任何自然過程中，電荷的代數(shù)和是守恒的． 深度思考 帶等量異種電荷的兩小球接觸后都不帶電了，是電荷消失了嗎？此過程中電荷還守恒嗎？ 答案　沒有消失，這是電荷的中和，是指兩個帶等量異種電荷的物體相互接觸時，由于正、負電荷間的相互吸引作用，電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，最后都達到電中性狀態(tài)的一個過程．電荷仍然守恒． 例2　完全相同的兩金屬小球A、B帶有相同的電荷量，相隔一定的距離，今讓第三個完全相同的不帶電金屬小球C，先后與A、B接觸后移開． (1)若A、B兩球帶同種電荷，接觸后兩球的電荷量大小之比為多大？ (2)若A、B兩球帶異種電荷，接觸后兩球的電荷量大小之比為多大？ 解析　(1)設(shè)A、B帶同種電荷，且?guī)щ姾闪烤鶠閝，則A、C接觸后，A、C帶電荷量為qA＝qC＝q. C球與B球接觸后，B、C所帶電荷量為qB＝qC′＝＝q. 故A、B帶電荷量大小之比為＝＝2∶3. (2)設(shè)qA′＝＋q，qB′＝－q. 則C與A接觸后，A、C帶電荷量為qA″＝qC″＝＋q. C與B接觸后，B、C帶電荷量為qB″＝qC＝＝－q， 故A、B帶電荷量大小之比為＝＝2∶1. 答案　(1)2∶3　(2)2∶1 (1)接觸起電：帶電體接觸導(dǎo)體時，電荷轉(zhuǎn)移到導(dǎo)體上，使導(dǎo)體帶上與帶電體相同性質(zhì)的電荷． (2)導(dǎo)體接觸帶電時電荷量的分配與導(dǎo)體的形狀、大小有關(guān)，當兩個完全相同的導(dǎo)體接觸后，電荷將平均分配，即最后兩個導(dǎo)體一定帶等量的同種電荷． (3)若兩個相同的金屬球帶同種電荷，接觸后電荷量先相加后均分；若帶異種電荷，接觸后電荷先中和再均分． 三、靜電感應(yīng)、感應(yīng)起電和驗電器(或靜電計) 1．靜電感應(yīng)：當一個帶電體靠近不帶電的導(dǎo)體時，由于電荷間相互吸引或排斥，導(dǎo)體中的自由電荷便會趨向或遠離帶電體，使導(dǎo)體靠近帶電體的一端帶異種電荷，遠離帶電體的一端帶同種電荷，這種現(xiàn)象叫做靜電感應(yīng)． 2．感應(yīng)起電：利用靜電感應(yīng)使導(dǎo)體帶電的方法． 3．驗電器(或靜電計) (1)驗電器(或靜電計)(如圖1)的金屬球、金屬桿和下面的兩個金屬箔片連成同一導(dǎo)體． 圖1 (2)當帶電的物體與驗電器上面的金屬球接觸時，有一部分電荷轉(zhuǎn)移到驗電器上，與金屬球相連的兩個金屬箔片帶上同種電荷，因相互排斥而張開，物體所帶電荷量越多，電荷轉(zhuǎn)移的越多，斥力越大，張開的角度也越大． (3)當帶電體靠近驗電器的金屬球時，金屬箔片也會張開．因為帶電體會使驗電器的上端感應(yīng)出異種電荷，而金屬箔片上會感應(yīng)出同種電荷(感應(yīng)起電)，兩箔片在斥力作用下張開． 深度思考 (1)帶正電的物體A與不帶電的物體B接觸，使物體B帶上了什么電荷？在這個過程中電荷是如何轉(zhuǎn)移的？ (2)如圖2所示，當將帶正電荷的球C移近不帶電的枕形金屬導(dǎo)體時，由于電荷間的吸引，枕形金屬導(dǎo)體中的自由電子向A端移動，而正電荷不移動，所以A端(近端)帶______電，B端帶______電．(填“正”或“負”) 圖2 答案　(1)正電荷　在這個過程中，有電子從物體B轉(zhuǎn)移到物體A，物體B的電子減少，使物體B帶正電． (2)負　正 例3　如圖3所示，A、B為相互接觸的用絕緣支柱支撐的金屬導(dǎo)體，起初它們不帶電，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(　　) 圖3 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．先把C移走，再把A、B分開，A、B上的金屬箔片仍張開 D．先把A、B分開，再把C移走，然后重新讓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　雖然A、B起初都不帶電，但帶正電的導(dǎo)體C對A、B內(nèi)的電荷有力的作用，使A、B中的自由電子向左移動，使得A端積累了負電荷，B端帶正電荷，其下部貼有的金屬箔片分別帶上了與A、B同種的電荷，所以金屬箔片都張開，A正確．C只要一直在A、B附近，先把A、B分開，A、B上的電荷因受C的作用力不可能中和，因而A、B仍帶等量異種的感應(yīng)電荷，此時即使再移走C，A、B所帶電荷量也不變，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，所以箔片都不會張開，C錯．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)電荷會完全中和，金屬箔片都不會張開，D錯．故選A、B. 答案　AB (1)靜電感應(yīng)中，電中性導(dǎo)體在兩側(cè)同時感應(yīng)等量異種電荷，感應(yīng)的過程，就是導(dǎo)體內(nèi)電荷重新分布的過程． (2)接觸起電是由于電荷間作用使導(dǎo)體間的電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移． 例4　使帶電的金屬球靠近不帶電的驗電器，驗電器的箔片張開．下列各圖表示驗電器上感應(yīng)電荷的分布情況，正確的是(　　) 解析　把帶電金屬球移近不帶電的驗電器，若金屬球帶正電荷，則將導(dǎo)體上的自由電子吸引上來，這樣驗電器的上部將帶負電荷，箔片帶正電荷；若金屬球帶負電荷，則將導(dǎo)體上的自由電子排斥到最遠端，這樣驗電器的上部將帶正電荷，箔片帶負電荷．選項B正確． 答案　B 1．(摩擦起電及解釋)(多選)如圖4所示，如果天氣干燥，晚上脫毛衣時，會聽到“噼啪”的響聲，還會看到電火花，關(guān)于這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，下列說法錯誤的是(　　) 圖4 A．人身體上產(chǎn)生電流 B．接觸帶電造成的 C．摩擦起電造成的 D．感應(yīng)起電造成的 答案　ABD 解析　脫毛衣時由于摩擦起電，衣服間產(chǎn)生異種電荷，當電荷積累到一定程度時，會產(chǎn)生電火花，并伴有“噼啪”聲，選項C正確，A、B、D錯誤． 2．(電荷守恒定律的理解和應(yīng)用)有兩個完全相同的帶電絕緣金屬小球A、B，分別帶有電荷量QA＝6.410－9 C，QB＝－3.210－9 C，讓兩絕緣金屬小球接觸，在接觸過程中，電子如何轉(zhuǎn)移并轉(zhuǎn)移了多少？ 答案　電子由B球轉(zhuǎn)移到了A球，轉(zhuǎn)移了3.01010個電子 解析　當兩小球接觸時，帶電荷量少的負電荷先被中和，剩余的正電荷再重新分配．由于兩小球完全相同，剩余正電荷必均分，即接觸后兩小球帶電荷量QA′＝QB′＝＝ C＝1.610－9 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)移的電子電荷量為ΔQB＝QB′－QB＝[1.610－9－(－3.210－9)] C＝4.810－9 C. 轉(zhuǎn)移的電子數(shù)n＝＝ ＝3.01010(個)． 3．(對三種起電的理解)如圖5是伏打起電盤示意圖，其起電原理是(　　) 圖5 A．摩擦起電 B．感應(yīng)起電 C．接觸起電 D．以上三種方式都不是 答案　B 解析　導(dǎo)電夾板靠近帶電絕緣板并接地時，發(fā)生靜電感應(yīng)，使導(dǎo)電平板帶上負電荷，故選項B正確． 4. (驗電器及其原理)如圖6所示，用絲綢摩擦過的玻璃棒和驗電器的金屬球接觸，使驗電器的金屬箔片張開，關(guān)于這一現(xiàn)象下列說法正確的是(　　) 圖6 A．兩片金屬箔片上帶異種電荷 B．兩片金屬箔片上均帶負電荷 C．箔片上有電子轉(zhuǎn)移到玻璃棒上 D．將玻璃棒移走，則金屬箔片立即合在一起 答案　C 解析　自然界只存在兩種電荷，正電荷和負電荷．絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電，即缺少電子，若將其接觸驗電器的金屬球，此時兩個箔片都帶正電荷；在此過程中，一部分電子會從驗電器轉(zhuǎn)移到玻璃棒；移走玻璃棒時，箔片仍帶電，不會立即合在一起．選項C正確. 題組一　對元電荷的理解 1．關(guān)于對元電荷的理解，下列說法正確的是(　　) A．元電荷就是電子 B．元電荷就是質(zhì)子 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．元電荷是帶電荷量最小的帶電粒子 答案　C 解析　元電荷是自然界最小的電荷量，是與跟電子所帶電荷量數(shù)值相等的電荷量，不是電子，不是質(zhì)子，也不是帶電荷量最小的帶電粒子，選項C正確． 2．(多選)下列說法正確的是(　　) A．物體所帶的電荷量可以為任意實數(shù) B．電子帶有最小的負電荷，其電荷量的絕對值叫元電荷 C．物體所帶的電荷量只能是一些不連續(xù)的特定值 D．物體電荷量的最小值為1.610－19 C 答案　BCD 解析　元電荷是自然界最小的電荷量，其數(shù)值e＝1.610－19 C，所有帶電體的電荷量均為e的整數(shù)倍，只能是一些特定值，選項A錯誤，B、C、D正確． 3．保護知識產(chǎn)權(quán)，抵制盜版是我們每個公民的責任與義務(wù)．盜版書籍影響我們的學習效率，甚至會給我們的學習帶來隱患．小華同學有一次不小心購買了盜版的物理參考書，做練習時，他發(fā)現(xiàn)有一個帶電質(zhì)點的電荷量數(shù)字看不清，他只能看清是6._10－18 C，拿去問老師，如果你是老師，你認為該帶電質(zhì)點的電荷量可能是下列哪一個(　　) A．6.210－18 C B．6.410－18 C C．6.610－18 C D．6.810－18 C 答案　B 解析　任何帶電體的電荷量是元電荷的整數(shù)倍，即是1.610－19 C的整數(shù)倍，由計算可知，只有B選項是1.610－19 C的整數(shù)倍，故B正確． 題組二　對三種起電方式的理解及應(yīng)用 4．關(guān)于摩擦起電和感應(yīng)起電，下列說法正確的是(　　) A．摩擦起電是電荷的轉(zhuǎn)移，感應(yīng)起電是創(chuàng)造了電荷 B．摩擦起電是創(chuàng)造了電荷，感應(yīng)起電是電荷的轉(zhuǎn)移 C．不論摩擦起電還是感應(yīng)起電，都是電荷的轉(zhuǎn)移 D．以上說法均不正確 答案　C 解析　無論哪種方式起電，都不是創(chuàng)造了電荷，而是電荷的轉(zhuǎn)移，所以選項A、B、D錯誤，選項C正確． 5．(多選)關(guān)于摩擦起電和感應(yīng)起電的實質(zhì)，下列說法中正確的是(　　) A．摩擦起電現(xiàn)象說明機械能可以轉(zhuǎn)化為電能，也說明通過做功創(chuàng)造出電荷 B．摩擦起電說明電荷可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體 C．感應(yīng)起電說明電荷可以從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分 D．感應(yīng)起電說明電荷可以從帶電的物體轉(zhuǎn)移到原來不帶電的物體 答案　BC 解析　摩擦起電的實質(zhì)是電子在相互摩擦的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移，失電子的顯示正電，得電子的顯示負電，此過程并非創(chuàng)造了電荷，總電荷量守恒，A錯，B對；感應(yīng)起電的實質(zhì)是電荷從導(dǎo)體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，是電荷在同一導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生了轉(zhuǎn)移，C對，D錯． 6．把兩個完全相同的小球接觸后分開，兩球相互排斥，則兩球原來的帶電情況不可能是(　　) A．一個小球原來帶電，另一個小球原來不帶電 B．兩個小球原來分別帶等量異種電荷 C．兩個小球原來分別帶同種電荷 D．兩個小球原來分別帶不等量異種電荷 答案　B 解析　兩個完全相同的小球接觸后分開，兩球互相排斥，說明原來兩球所帶電荷量的代數(shù)和不等于零．若原來兩小球分別帶有等量的異種電荷，則接觸后將發(fā)生中和，兩球均不帶電，不會發(fā)生排斥現(xiàn)象，故選項B正確． 7．(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)，當距離約為0.5 cm時圓環(huán)被吸引到筆套上，如圖1所示．對上述現(xiàn)象的判斷與分析，下列說法正確的是(　　) 圖1 A．摩擦使筆套帶電 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 答案　ABC 解析　筆套與頭發(fā)摩擦后，能夠吸引圓環(huán)，說明筆套上帶了電荷，即摩擦使筆套帶電，選項A正確；筆套靠近圓環(huán)時，由于靜電感應(yīng)，會使圓環(huán)上、下部感應(yīng)出異號電荷，選項B正確；圓環(huán)被吸引到筆套的過程中，有向上的加速度，故圓環(huán)所受靜電力的合力大于圓環(huán)所受的重力，故選項C正確；筆套碰到圓環(huán)后，筆套上的部分電荷轉(zhuǎn)移到圓環(huán)上，使圓環(huán)帶上性質(zhì)相同的電荷，選項D錯誤． 題組三　驗電器及其原理 8．(多選)如圖2所示，是一個帶正電的驗電器，當一個金屬球A靠近驗電器上的金屬小球B時，驗電器中金屬箔片的張角減小，則(　　) 圖2 A．金屬球A可能不帶電 B．金屬球A一定帶正電 C．金屬球A可能帶負電 D．金屬球A一定帶負電 答案　AC 解析　驗電器上的金屬箔片和金屬球都帶有正電荷，金屬箔片之所以張開，是由于箔片上的正電荷互相排斥造成的．當驗電器金屬箔片的張角減小時，說明箔片上的正電荷一定比原來減少了，由于金屬球A只是靠近驗電器而沒有與驗電器上的金屬球B發(fā)生接觸，要考慮感應(yīng)起電的影響．當金屬球A靠近時，驗電器的金屬球B、金屬桿包括金屬箔片整體相當于一個導(dǎo)體，金屬球A離金屬球B較近，而離金屬箔片較遠．如果金屬球A帶正電，驗電器上的正電荷一定向遠處移動，則金屬箔片上的電荷量不會減少，所以選項B是錯誤的．如果金屬球A帶負電，驗電器上的正電荷會由于引力作用向近端移動，造成金屬箔片上的電荷量減少，所以選項C是正確的．如果金屬球A不帶電，由于受到金屬球B上正電荷的影響，金屬球A上靠近B的部分也會由于靜電力的作用出現(xiàn)負電荷，而這些負電荷反過來會使得驗電器上的正電荷向金屬球B移動，效果與金屬球A帶負電荷一樣．所以選項A也是正確的，選項D是錯誤的． 9．如圖3所示，有一金屬箔驗電器，起初金屬箔閉合，當帶正電的棒靠近驗電器上部的金屬板時，金屬箔張開．在這個狀態(tài)下，用手指接觸驗電器的金屬板，金屬箔閉合，當手指從金屬板上離開，然后使棒也遠離驗電器，金屬箔的狀態(tài)將發(fā)生變化，從圖中的①～④4個選項中選取一個正確的答案(　　) 圖3 A．圖① B．圖② C．圖③ D．圖④ 答案　B 解析　手指接觸一下金屬板，金屬板上帶負電，人體所連的大地是遠端，遠端帶正電，故金屬箔閉合；手指離開，金屬板仍帶負電，且在金屬板的靜電屏蔽下，金屬箔不帶電；當棒遠離時，金屬板上的負電荷有一部分轉(zhuǎn)移到金屬箔上，由于金屬箔帶同種電荷，所以金屬箔張開，B正確． 題組四　對電荷守恒定律及電荷量的理解 10．如圖4所示，導(dǎo)體A帶電荷量為5q的正電荷，另一完全相同的導(dǎo)體B帶電荷量為q的負電荷，將兩導(dǎo)體接觸一會兒后再分開，則B導(dǎo)體帶的電荷量為(　　) 圖4 A．－q B．q C．2q D．4q 答案　C 解析　相同帶電體接觸后，電荷量先中和，后平分．故選項C正確． 11．(多選)A和B都是不帶電的物體，它們互相摩擦后A帶負電荷1.610－10 C，下列判斷中正確的是(　　) A．在摩擦前A和B的內(nèi)部電荷量為零 B．摩擦的過程中電子從A轉(zhuǎn)移到了B C．A在摩擦過程中一定得到了1109個電子 D．A在摩擦過程中一定失去了1.610－19 C電子 答案　AC 12．如圖5所示，大球A原來的電荷量為Q，小球B原來不帶電，現(xiàn)在讓小球與大球接觸，達到靜電平衡時，小球獲得的電荷量為q；現(xiàn)給A球補充電荷，使其電荷量為Q，再次讓小球接觸大球，每次都給大球補充到電荷量為Q，問：經(jīng)過多次接觸后，小球的帶電荷量為多少？ 圖5 答案　 解析　由于兩個球的大小不等，所以在接觸過程中，兩球的電荷量分配比例不是1∶1，但應(yīng)該是一個確定的值．根據(jù)第一次接觸達到靜電平衡時兩者的電荷關(guān)系可知，此比例為(Q－q)∶q.經(jīng)過多次接觸后，從大球上遷移到小球上的電荷量越來越少，最終將為零，設(shè)B球最終帶電荷量為q′，則有＝，解得q′＝. 13．如圖6所示，通過調(diào)節(jié)控制電子槍產(chǎn)生的電子束，使其每秒有104個電子到達收集電子的金屬瓶，經(jīng)過一段時間，金屬瓶上帶有－810－12 C的電荷量，求： 圖6 (1)金屬瓶上收集到多少個電子？ (2)實驗的時間為多長？ 答案　(1)5107個　(2)5 000 s 解析　(1)金屬瓶上收集的電子數(shù)目為：N＝＝＝5107個． (2)實驗的時間：t＝ s＝5 000 s.