高中物理人教版選修3-1 1.1 電荷及其守恒定律

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歡迎進入物理課堂 第一章靜電場第一節(jié)電荷及其守恒定律 課標解讀1 知道常用的起電方法和各種起電方法的實質 2 知道電荷守恒定律的內容 并能運用其進行簡單觀察的分析 3 知道元電荷的概念及其數(shù)值 4 知道電荷量的概念 課前自主學習一 電荷1 物質的微觀結構 原子核由帶正電的質子和不帶電的中子構成 核外的電子靠質子的吸引力維系在原子核的附近 原子核的正電荷的數(shù)量與電子的負電荷的數(shù)量相等 所以整個原子對外界較遠位置表現(xiàn)為電中性 2 三種起電方式 1 摩擦起電 用絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電 絲綢則帶有等量的負電荷 這是因為玻璃棒上的部分電子轉移到了絲綢上 用毛皮摩擦過的橡膠棒帶負電 毛皮帶等量的正電荷這是因為毛皮上的部分電子轉移到橡膠棒上 金屬中離原子核最遠的電子往往會脫離原子核的束縛而在金屬中自由活動 這種電子叫自由電子 失去電子的原子便成了帶正電的離子 2 感應起電 把電荷移近不帶電的導體 可以使靠近帶電體的一端帶異號電荷 遠離的一端帶同號電荷這種現(xiàn)象叫做靜電感應 利用靜電感應使金屬導體帶電的過程叫做感應起電 3 接觸起電 不帶電的物體與帶電體接觸 能使不帶電的物體帶上電荷 這種帶電方式稱為接觸起電 兩完全相同的物體接觸 會將電荷量平分 二 電荷守恒定律 1 電荷守恒定律 電荷既不會創(chuàng)生也不會消滅 它只能從一個物體轉移到另一個物體 或者從物體的一部分轉移到另一部分 在轉移過程中 電荷的總量保持不變 2 電荷守恒定律的另一種表述 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 3 起電過程的實質 微觀帶電粒子 如電子 在物體之間或物體內部轉移而不是創(chuàng)造出了電荷 三 電荷量1 電荷量 電荷的多少 其國際單位是庫侖 簡稱庫 用C表示 2 元電荷 最小的電荷量 即電子或質子所帶的電荷量 用e表示 e 1 60 10 19C 最早由美國物理學家密立根測得 3 比荷 帶電體的電荷量與質量的比值叫做帶電體的比荷 電子的比荷為 1 76 1011C kg 知識梳理圖 課堂互動探究一 使物體帶電的方式1 兩種電荷自然界中只有兩種電荷 即正電荷和負電荷 規(guī)定用絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷為正電荷 用毛皮摩擦過的橡膠棒所帶的電荷為負電荷 2 靜電的產生 1 摩擦起電 當兩種不同材料的物體互相摩擦時 一些束縛得不緊的電子往往從一個物體轉移到另一個物體 于是原來電中性的物體由于得到電子而帶負電 失去電子的物體則帶正電 如毛皮摩擦橡膠棒 橡膠棒帶負電 絲綢摩擦玻璃棒 玻璃棒帶正電 2 接觸起電 一個帶電物體去接觸另一個導體時 電荷會轉移到那個導體上 使物體帶電 完全相同的兩個帶電體接觸 凈電荷平均分配 如甲 乙兩個完全相同的金屬球分別帶 10C和 6C電量 接觸后均帶 2C的電量 3 感應起電 當一個帶電體靠近導體時 由于電荷之間相互吸引或排斥 導體中的自由電子會趨向或遠離帶電體 使導體靠近帶電體的一端帶異種電荷 遠離的一端帶同種電荷 這種現(xiàn)象叫靜電感應 利用靜電感應使金屬導體帶電的過程稱為感應起電 如下圖 帶正電的球C移近導體A時 A B的兩端分別出現(xiàn) 電荷 保持C球不動 用絕緣工具將A B分開后 再將C移走 則A帶負電 B帶正電 如果先將C移開 再把A B分開 A B不會帶電 3 靜電產生的微觀解釋 1 構成物質的原子是由原子中心帶正電的原子核和核外電子組成的 一般情況下原子核的正電荷的數(shù)量與電子的負電荷的數(shù)量一樣多 整個原子顯中性 2 在多種起電方式中 都會使原來中性的物體帶電 但無論帶正電還是帶負電 起電的實質都是電荷發(fā)生了轉移 二 電荷守恒定律 元電荷1 電荷守恒定律大量事實證明 電荷既不能創(chuàng)生也不會消滅 只能從物體的一部分轉移到另一部分 或者從一個物體轉移到另一個物體 在轉移的過程中 電荷的總量保持不變 這個規(guī)律叫做電荷守恒定律 注意 1 在一定條件下 電荷是可以產生和湮滅的 但電荷的代數(shù)和不變 如一對正 負電子相遇湮滅 轉化為一對光子 一個中子衰變成一個質子和一個電子 這兩種情況帶電粒子總是成對湮滅和產生 兩種電荷的數(shù)目相等 正負相反 而光子和中子都是中性 本身不帶電 所以電荷的代數(shù)和不變 因此電荷守恒定律也可敘述為 一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng) 電荷的代數(shù)和總是保持不變的 2 電荷守恒定律是自然界重要的基本規(guī)律之一 2 元電荷 1 電荷量 電荷的多少叫電荷量 常用符號Q或q表示 在國際單位制中 電荷量的單位是庫侖 簡稱庫 用符號C表示 2 元電荷 電子所帶電量是最小的電荷量 人們把這個最小電荷量叫做元電荷 用e表示 e 1 60217733 10 19C 所有帶電體的電荷量或者等于e 或者是e的整數(shù)倍 3 比荷 帶電粒子的電荷量與其質量的比值叫做該粒子的比荷 如電子的比荷 1 76 1011C kg 三 驗電器的工作原理及作用1 原理 驗電器是根據(jù)同種電荷相互排斥 異種電荷相互吸引的規(guī)律設計的 運用時 要區(qū)別并掌握其起電方式是接觸還是感應 且要理解起電的本質 在驗電器的金屬小球和金屬箔間能轉移的電荷只能是電子 2 作用 驗電器可以用來判斷物體是否帶電 又可以演示靜電感應的現(xiàn)象 典例分析一 對靜電現(xiàn)象的理解例1 下列說法中正確的是 A 不帶電的物體上 即沒有正電荷也沒有負電荷B 物體所帶的電荷量可以是任意實數(shù)C 摩擦起電的過程 是通過摩擦創(chuàng)造了等量異種電荷的過程D 帶電現(xiàn)象的本質是電子的轉移 呈電中性的物體得電子就一定顯負電性 失去電子就一定顯正電性 解析 物體不帶電 是由于其內部正 負電荷的量值相等 對外不顯電性 故A選項錯誤 自然界中的電荷量不是任意無限可分的 其最小單位為元電荷所帶電荷量 即e 1 6 10 19C 故B選項錯誤 摩擦起電的過程是電子轉移的過程 呈電中性的物體得到電子顯示負電性 失去電子的物體顯示正電性 此過程中并不會創(chuàng)造電荷 電荷的總量是保持不變的 故C選項錯誤 D選項正確 答案 D 名師點撥 本題主要考查物體帶電的實質 得到電子的帶負電 失去電子的帶正電 帶電荷量只能是元電荷電荷量的整數(shù)倍 各種帶電方式并沒有創(chuàng)造電荷 鞏固練習 1 下列關于帶電現(xiàn)象的說法中正確的是 A 玻璃棒無論與什么物質摩擦都帶正電 橡膠棒無論與什么物質摩擦都帶負電B 相互摩擦的兩個物體一定能起電C 帶電現(xiàn)象的本質是電子的轉移 物體得到電子 就一定顯負電性 失去電子就顯正電性D 物體通常呈現(xiàn)電中性 是因為物體的正 負電荷一樣多 解析 玻璃棒與絲綢摩擦后會失去電子因而帶正電 但玻璃棒與其他物體摩擦后不一定總是失去電子 因而不能確定其電性 同理也無法確定橡膠棒的電性 故A選項錯誤 并不是任意兩個物體間摩擦時都能起電 故B選項錯誤 物體如果原帶電 得到電子后可能帶正電 也可能帶負電 也可能不帶電 故C選項錯誤 不帶電的物體內正 負電荷相等 所以顯電中性 故D選項正確 答案 D 二 對感應起電的理解例2 如圖所示 A B為相互接觸的用絕緣支柱支持的金屬導體 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 A 把C移近導體A時 A B上的金屬箔片都張開B 把C移近導體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移去 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 但帶正電的導體C對A B內的電荷有力的作用 使A B中的自由電子向左移動 使得A端積累了負電荷 B端積累了正電荷 其下部貼有的金屬箔片因為接觸帶電 也分別帶上了與A B同種的電荷 由于同種電荷間的斥力 所以金屬箔片都張開 A選項正確 C只有一直在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 因為A B已經絕緣 所帶電荷量也不能變 金屬箔片仍張開 B選項正確 但如果先移走C A B上的感應電荷會馬上在其相互之間的庫侖力作用下吸引中和 不再帶電 所以箔片都不會張開 C選項錯誤 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上的感應電荷完全中和 箔片都不會張開 D選項錯誤 答案 AB 名師點撥 本題考查靜電感應知識 解答時明確靜電感應不是產生了電荷 而是電荷的轉移 電荷重新分布后在靜電感應存在的情況下 把原來的中性導體分開 分開后會使導體帶等量的異種電荷 鞏固練習 2 使帶電的金屬球靠近不帶電的驗電器 驗電器的箔片張開 下圖中表示驗電器上感應電荷的分布情況正確的是 解析 帶負電的金屬球靠近不帶電的驗電器時 在驗電器的頂部帶上正電 金屬箔片帶負電 B選項正確 答案 B 三 對電荷守恒定律的理解和應用例3 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 4 10 9C QB 3 2 10 9C 讓兩絕緣金屬小球接觸 在接觸過程中 電子如何轉移并轉移了多少 解析 首先弄清電荷接觸后先中和后平分 當兩個小球接觸時 帶電荷量少的負電荷先被中和 剩余的正電荷再重新分配 由于兩小球相同 剩余正電荷必均分 即接觸后兩小球帶電荷量 Q A Q B QA QB 2 1 6 10 9C 在接觸過程中 電子由B球轉移到A球 不僅將自身電荷中和且繼續(xù)轉移 使B球帶Q B的正電 這樣 共轉移的電子電荷量為 Q QB Q B 3 2 10 9C 1 6 10 9C 4 8 10 9C轉移的電子數(shù) 3 0 1010 個 答案 3 0 1010個 名師點撥 在接觸帶電中 當兩個導體帶不等量異種電荷時 先中和 然后剩余的電荷重新分配 如果兩導體是相同材料 相同形狀和大小相同的導體 剩余電荷平均分配 而形狀和大小不同的導體電荷不平均分配 此種情況我們中學階段不進行研究 鞏固練習 3 原來完全相同的甲 乙 丙三物體都不帶電 今使甲 乙兩物體通過感應帶電后 乙物體再與丙物體接觸 最后 得知甲物體帶正電1 6 10 15C 丙物體帶電8 10 16C 則對于最后乙 丙兩物體帶電情況 下列說法中正確的是 A 乙物體一定帶有負電荷8 10 16CB 乙物體可能帶有負電荷2 4 10 15CC 丙物體一定帶有正電荷8 10 16CD 丙物體一定帶有負電荷8 10 16C 解析 由電荷守恒定律可知甲 乙兩物體帶電后 甲帶正電為1 6 10 15C 則乙物體應帶負電1 6 10 15C 乙與丙接觸后 乙 丙電量重新分布 由于是完全相同的物體 故乙所帶電荷平均分配到乙 丙兩物體上 故乙 丙最后均帶負電8 10 16C 答案 AD 四 驗電器的使用例4 如右圖所示 有一帶正電的驗電器 當一金屬球A靠近驗電器的小球B 不接觸 時 驗電器的金箔張角減小 則 A 金屬球可能不帶電B 金屬球可能帶負電C 金屬球可能帶正電D 金屬球一定帶負電 解析 驗電器的金箔之所以張開 是因為它們都帶有正電荷 而同種電荷相排斥 張開角度的大小決定于兩金箔帶電荷量的多少 如果A球帶負電 靠近驗電器的B球時 異種電荷相互吸引 使金箔上的正電荷逐漸 上移 從而使兩金箔張角減小 選項B正確 同時否定選項C 如果A球不帶電 在靠近B球時 發(fā)生靜電感應現(xiàn)象使A球靠近B球的端面出現(xiàn)負的感應電荷 而背向B球的端面出現(xiàn)正的感應電荷 A球上的感應電荷與驗電器上的正電荷發(fā)生相互作用 由于負電荷離驗電器較近而表現(xiàn)為吸引作用 從而使金箔張角減小 選項A正確 同時否定選項D 答案 AB 名師點撥 驗電器可以判斷物體是否帶電 帶電荷的種類和電荷量的多少 當帶電體靠近驗電器導體棒上端或接觸導體棒上端時 驗電器的金屬箔都會張開 但要注意區(qū)分帶電體靠近驗電器金屬球和接觸金屬球 驗電器所帶電荷的不同 利用驗電器除了能檢驗電荷 還能演示靜電感應現(xiàn)象 鞏固練習 4 如下圖所示 用起電機使金屬球A帶上正電 靠近驗電器B 則 A 驗電器金箔不張開 因為球A沒有和B接觸B 驗電器金箔張開 因為整個驗電器都帶上了正電C 驗電器金箔張開 因為整個驗電器都帶上了負電D 驗電器金箔張開 因為驗電器下部箔片都帶上了正電解析 當帶正電的球A靠近驗電器B時 由于A球對B的感應使驗電器金屬球的電荷重新分布 箔片帶上了正電 從而金箔張開 故D選項正確 答案 D 課后鞏固提升鞏固基礎1 關于摩擦起電和感應起電 以下說法正確的是 A 摩擦起電是因為電荷的轉移 感應起電是因為產生電荷B 摩擦起電是因為產生電荷 感應起電是因為電荷的轉移C 不論是摩擦起電還是感應起電 都是因為電荷的轉移D 以上說法均不正確 解析 摩擦起電和感應起電 以及接觸起電 三種帶電方式的實質都是電荷的轉移 故C選項正確 答案 C 2 有一個質量很小的小球A 用絕緣細線懸掛著 當用毛皮摩擦過的硬橡膠棒B靠近它時 看到它們互相吸引 接觸后又互相排斥 則下列說法正確的是 A 接觸前 A B一定帶異種電荷B 接觸前 A B可能帶異種電荷C 接觸前 A球一定不帶任何凈電荷D 接觸后 A球一定帶負電荷 解析 由于電介質極化 任何帶電體都可吸引輕小物體 而不能認為只有異種電荷才存在吸引力 所以A可以不帶電 也可以帶正電 接觸后 由于A B所帶電量多少關系不定 所以可能帶負電 也可能帶正電 答案 B 3 下列說法正確的是 A 當一種電荷出現(xiàn)時 必然有等量的異種電荷出現(xiàn) 當一種電荷消失時 必然有等量的異種電荷消失B 所有帶電體的電荷量一定等于元電荷的整數(shù)倍C 元電荷的值通常取作e 1 60 10 19CD 電荷量e的數(shù)值最早是由美國科學家密立根用實驗測得的 解析 實驗得出 所有帶電體的電荷量或者等于e 或者是e的整數(shù)倍 這就是說 電荷量是不能連續(xù)變化的物理量 電荷量e的數(shù)值最早是由美國物理學家密立根測得的 由電荷守恒定律可知 電荷的總量保持不變 故A選項正確 答案 ABCD 4 關于摩擦起電現(xiàn)象 下列說法中正確的是 A 摩擦起電現(xiàn)象使本沒有電子和質子的物體中產生了電子和質子B 兩種不同材料的絕緣體互相摩擦后 同時帶上等量異種電荷C 摩擦起電 可能是摩擦中導致質子從一個物體轉移到了另一個物體而形成的D 絲綢摩擦玻璃棒時 電子從玻璃棒上轉移到絲綢上 玻璃棒因質子數(shù)多于電子數(shù)而顯示帶正電 解析 摩擦起電實質是由于兩個物體的原子核對核外電子的約束能力不相同 因而電子可以在物體間轉移 若一個物體失去電子 其質子數(shù)比電子數(shù)多 我們說它帶正電 若一個物體得到電子 其質子數(shù)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 5 毛皮與橡膠棒摩擦后 毛皮帶正電 這是因為 A 毛皮上的一些電子轉移到橡膠棒上B 毛皮上的一些正電荷轉移到橡膠棒上C 橡膠棒上的一些電子轉移到毛皮上D 橡膠棒上的一些正電荷轉移到毛皮上解析 摩擦起電的實質是電子從一個物體轉移到另一個物體 毛皮和橡膠棒摩擦后毛皮帶正電 是毛皮上的一些電子轉移到橡膠棒上 從而毛皮帶正電 故A選項正確 答案 A 6 關于元電荷下列說法中正確的是 A 元電荷實質上是指電子和質子本身B 一個帶電體的電荷量為105 6倍的元電荷C 元電荷是最小的帶電單位D 元電荷沒有正負之分解析 元電荷是指的最小的電荷量 數(shù)值為e 1 6 10 19C 元電荷不是帶電體 沒有電性之分 故C D選項正確 答案 CD 提升能力7 將帶電棒移近兩個不帶電的導體球 兩個導體球開始時互相接觸且對地絕緣 如右圖所示 下列幾種方法中能使兩球都帶電的是 A 先把兩球分開 再移走棒B 先移走棒 再把兩球分開C 先將棒接觸一下其中一球 再把兩球分開D 棒帶的電荷量如果不變 不能使兩導體球帶電解析 帶電棒移近兩導體時 使兩個導體的電荷重新分布 甲 乙左右兩端出現(xiàn)等量異種電荷 在棒的作用下 將兩球分開 再移走棒 甲 乙兩球就帶上等量異種電荷 故A選項正確 將棒與其中一球接觸后 三物體均帶電 再把兩球分開 兩球帶有同種電荷 故C選項正確 答案 AC 8 A和B是兩個大小相同的帶電介質小球 用等長絕緣細線將它們懸掛在水平桿上 在兩球連線的延長線上A球左側放一個帶正電荷的固定小球C時 如下圖所示 A B兩球的懸線都保持豎直方向 則下列說法中正確的是 A A B兩球均帶正電B A B兩球均帶負電C A帶正電 B帶負電D A帶負電 B帶正電 解析 若兩球均帶正電 則A球能在豎直方向平衡 而B球受到C與A的排斥力 將偏離豎直方向 不可能在豎直方向平衡 若兩球均帶負電 A球受到C球的引力和B球的斥力 將偏離豎直方向 即A球不可能在豎直方向平衡 若二者均在豎直位置平衡 則A B應帶異種電荷 且A帶負電 B帶正電 所以D選項正確 答案 D 9 a b c d為四個帶電小球 兩球之間的作用分別為a吸引d b排斥c c排斥a d吸引b則 A 僅有兩個小球帶同種電荷B 僅有三個小球帶同種電荷C c d小球帶同種電荷D c d小球帶異種電荷解析 應用兩種電荷相互作用的規(guī)律 可知b c a帶同種電荷 a d帶異種電荷 故B D選項正確 答案 BD 10 絕緣細線上端固定 下端掛一輕質小球a a的表面鍍有鋁膜 在a的近旁有一絕緣金屬球b 開始時a b都不帶電 如下圖所示 現(xiàn)使b球帶電 則 A b將吸引a 吸住后不放開B b先吸引a 接觸后又把a排斥開C a b之間不發(fā)生相互作用D b立即把a排斥開 解析 b球帶電后 使a產生靜電感應 感應的結果是a靠近b的一側出現(xiàn)與b異種的感應電荷 遠離b的一側出現(xiàn)與b同種的感應電荷 雖然a上的感應電荷等量異號 但因為異種電荷離b更近 所以b對a的電場力為引力 當b吸引a使兩者接觸后 由于接觸帶電 b a又帶上同種電荷 有斥力作用 因而又把a排斥開 所以B項正確 答案 B 11 有三個完全相同的絕緣金屬小球 A端帶電荷量為Q B C不帶電 要使B球帶有的電荷量 應該怎樣辦 答案 見解析 解析 由于兩個完全相同的金屬球接觸時 剩余電荷量平均分配 因此可以用以下四種方法 1 A與C接觸后分開 再讓B與C接觸后分開 然后A與B接觸后分開 B所帶電荷量為 2 A與C接觸后分開 再讓A與B接觸后分開 然后B與C接觸后分開 3 A與B接觸后分開 再B與C接觸后分開 然后A與B接觸后分開 4 A與B接觸后分開 再A與C接觸后分開 然后B與C接觸后分開 12 完全相同的兩個金屬小球A B帶有相等的電荷量 相隔一定距離 今讓第三個相同的不帶電金屬小球C先后與A B接觸后移開 求 1 若A B兩球帶有同種電荷 求則最后的電荷量之比 2 若A B兩球帶異種電荷 則最后電荷量之比 解析 1 若A B帶同種電荷設電荷量為Q 第三個小球C與A接觸后 平分A的電荷量 A剩余電荷量為球與B接觸后 總電荷量為 二者平分 B帶電荷量為則A B電荷量之比為 2 若A B帶異種電荷 設A為 Q B為 Q C球與A接觸后帶電荷量為球與B接觸先中和最后剩余電荷量為兩者平分 B球電荷量為則A B最后電荷量之比為 答案 1 2 3 2 2 1 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全