高中物理人教版选修3-1 1.1 电荷及其守恒定律

欢迎进入物理课堂 第一章静电场第一节电荷及其守恒定律 课标解读1 知道常用的起电方法和各种起电方法的实质 2 知道电荷守恒定律的内容 并能运用其进行简单观察的分析 3 知道元电荷的概念及其数值 4 知道电荷量的概念 课前自主学习一 电荷1 物质的微观结构 原子核由带正电的质子和不带电的中子构成 核外的电子靠质子的吸引力维系在原子核的附近 原子核的正电荷的数量与电子的负电荷的数量相等 所以整个原子对外界较远位置表现为电中性 2 三种起电方式 1 摩擦起电 用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电 丝绸则带有等量的负电荷 这是因为玻璃棒上的部分电子转移到了丝绸上 用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电 毛皮带等量的正电荷这是因为毛皮上的部分电子转移到橡胶棒上 金属中离原子核最远的电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由活动 这种电子叫自由电子 失去电子的原子便成了带正电的离子 2 感应起电 把电荷移近不带电的导体 可以使靠近带电体的一端带异号电荷 远离的一端带同号电荷这种现象叫做静电感应 利用静电感应使金属导体带电的过程叫做感应起电 3 接触起电 不带电的物体与带电体接触 能使不带电的物体带上电荷 这种带电方式称为接触起电 两完全相同的物体接触 会将电荷量平分 二 电荷守恒定律 1 电荷守恒定律 电荷既不会创生也不会消灭 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 电荷守恒定律的另一种表述 一个与外界没有电荷交换的系统 电荷的代数和保持不变 3 起电过程的实质 微观带电粒子 如电子 在物体之间或物体内部转移而不是创造出了电荷 三 电荷量1 电荷量 电荷的多少 其国际单位是库仑 简称库 用C表示 2 元电荷 最小的电荷量 即电子或质子所带的电荷量 用e表示 e 1 60 10 19C 最早由美国物理学家密立根测得 3 比荷 带电体的电荷量与质量的比值叫做带电体的比荷 电子的比荷为 1 76 1011C kg 知识梳理图 课堂互动探究一 使物体带电的方式1 两种电荷自然界中只有两种电荷 即正电荷和负电荷 规定用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷为正电荷 用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷为负电荷 2 静电的产生 1 摩擦起电 当两种不同材料的物体互相摩擦时 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 如毛皮摩擦橡胶棒 橡胶棒带负电 丝绸摩擦玻璃棒 玻璃棒带正电 2 接触起电 一个带电物体去接触另一个导体时 电荷会转移到那个导体上 使物体带电 完全相同的两个带电体接触 净电荷平均分配 如甲 乙两个完全相同的金属球分别带 10C和 6C电量 接触后均带 2C的电量 3 感应起电 当一个带电体靠近导体时 由于电荷之间相互吸引或排斥 导体中的自由电子会趋向或远离带电体 使导体靠近带电体的一端带异种电荷 远离的一端带同种电荷 这种现象叫静电感应 利用静电感应使金属导体带电的过程称为感应起电 如下图 带正电的球C移近导体A时 A B的两端分别出现 电荷 保持C球不动 用绝缘工具将A B分开后 再将C移走 则A带负电 B带正电 如果先将C移开 再把A B分开 A B不会带电 3 静电产生的微观解释 1 构成物质的原子是由原子中心带正电的原子核和核外电子组成的 一般情况下原子核的正电荷的数量与电子的负电荷的数量一样多 整个原子显中性 2 在多种起电方式中 都会使原来中性的物体带电 但无论带正电还是带负电 起电的实质都是电荷发生了转移 二 电荷守恒定律 元电荷1 电荷守恒定律大量事实证明 电荷既不能创生也不会消灭 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 在转移的过程中 电荷的总量保持不变 这个规律叫做电荷守恒定律 注意 1 在一定条件下 电荷是可以产生和湮灭的 但电荷的代数和不变 如一对正 负电子相遇湮灭 转化为一对光子 一个中子衰变成一个质子和一个电子 这两种情况带电粒子总是成对湮灭和产生 两种电荷的数目相等 正负相反 而光子和中子都是中性 本身不带电 所以电荷的代数和不变 因此电荷守恒定律也可叙述为 一个与外界没有电荷交换的系统 电荷的代数和总是保持不变的 2 电荷守恒定律是自然界重要的基本规律之一 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 在国际单位制中 电荷量的单位是库仑 简称库 用符号C表示 2 元电荷 电子所带电量是最小的电荷量 人们把这个最小电荷量叫做元电荷 用e表示 e 1 60217733 10 19C 所有带电体的电荷量或者等于e 或者是e的整数倍 3 比荷 带电粒子的电荷量与其质量的比值叫做该粒子的比荷 如电子的比荷 1 76 1011C kg 三 验电器的工作原理及作用1 原理 验电器是根据同种电荷相互排斥 异种电荷相互吸引的规律设计的 运用时 要区别并掌握其起电方式是接触还是感应 且要理解起电的本质 在验电器的金属小球和金属箔间能转移的电荷只能是电子 2 作用 验电器可以用来判断物体是否带电 又可以演示静电感应的现象 典例分析一 对静电现象的理解例1 下列说法中正确的是 A 不带电的物体上 即没有正电荷也没有负电荷B 物体所带的电荷量可以是任意实数C 摩擦起电的过程 是通过摩擦创造了等量异种电荷的过程D 带电现象的本质是电子的转移 呈电中性的物体得电子就一定显负电性 失去电子就一定显正电性 解析 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A选项错误 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电荷量 即e 1 6 10 19C 故B选项错误 摩擦起电的过程是电子转移的过程 呈电中性的物体得到电子显示负电性 失去电子的物体显示正电性 此过程中并不会创造电荷 电荷的总量是保持不变的 故C选项错误 D选项正确 答案 D 名师点拨 本题主要考查物体带电的实质 得到电子的带负电 失去电子的带正电 带电荷量只能是元电荷电荷量的整数倍 各种带电方式并没有创造电荷 巩固练习 1 下列关于带电现象的说法中正确的是 A 玻璃棒无论与什么物质摩擦都带正电 橡胶棒无论与什么物质摩擦都带负电B 相互摩擦的两个物体一定能起电C 带电现象的本质是电子的转移 物体得到电子 就一定显负电性 失去电子就显正电性D 物体通常呈现电中性 是因为物体的正 负电荷一样多 解析 玻璃棒与丝绸摩擦后会失去电子因而带正电 但玻璃棒与其他物体摩擦后不一定总是失去电子 因而不能确定其电性 同理也无法确定橡胶棒的电性 故A选项错误 并不是任意两个物体间摩擦时都能起电 故B选项错误 物体如果原带电 得到电子后可能带正电 也可能带负电 也可能不带电 故C选项错误 不带电的物体内正 负电荷相等 所以显电中性 故D选项正确 答案 D 二 对感应起电的理解例2 如图所示 A B为相互接触的用绝缘支柱支持的金属导体 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 A 把C移近导体A时 A B上的金属箔片都张开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移去 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 解析 虽然A B起初都不带电 但带正电的导体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因为接触带电 也分别带上了与A B同种的电荷 由于同种电荷间的斥力 所以金属箔片都张开 A选项正确 C只有一直在A B附近 先把A B分开 A B上的电荷因受C的作用力不可能中和 因为A B已经绝缘 所带电荷量也不能变 金属箔片仍张开 B选项正确 但如果先移走C A B上的感应电荷会马上在其相互之间的库仑力作用下吸引中和 不再带电 所以箔片都不会张开 C选项错误 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选项错误 答案 AB 名师点拨 本题考查静电感应知识 解答时明确静电感应不是产生了电荷 而是电荷的转移 电荷重新分布后在静电感应存在的情况下 把原来的中性导体分开 分开后会使导体带等量的异种电荷 巩固练习 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 带负电的金属球靠近不带电的验电器时 在验电器的顶部带上正电 金属箔片带负电 B选项正确 答案 B 三 对电荷守恒定律的理解和应用例3 有两个完全相同的带电绝缘金属小球A B分别带有电荷量QA 6 4 10 9C QB 3 2 10 9C 让两绝缘金属小球接触 在接触过程中 电子如何转移并转移了多少 解析 首先弄清电荷接触后先中和后平分 当两个小球接触时 带电荷量少的负电荷先被中和 剩余的正电荷再重新分配 由于两小球相同 剩余正电荷必均分 即接触后两小球带电荷量 Q A Q B QA QB 2 1 6 10 9C 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Q B的正电 这样 共转移的电子电荷量为 Q QB Q B 3 2 10 9C 1 6 10 9C 4 8 10 9C转移的电子数 3 0 1010 个 答案 3 0 1010个 名师点拨 在接触带电中 当两个导体带不等量异种电荷时 先中和 然后剩余的电荷重新分配 如果两导体是相同材料 相同形状和大小相同的导体 剩余电荷平均分配 而形状和大小不同的导体电荷不平均分配 此种情况我们中学阶段不进行研究 巩固练习 3 原来完全相同的甲 乙 丙三物体都不带电 今使甲 乙两物体通过感应带电后 乙物体再与丙物体接触 最后 得知甲物体带正电1 6 10 15C 丙物体带电8 10 16C 则对于最后乙 丙两物体带电情况 下列说法中正确的是 A 乙物体一定带有负电荷8 10 16CB 乙物体可能带有负电荷2 4 10 15CC 丙物体一定带有正电荷8 10 16CD 丙物体一定带有负电荷8 10 16C 解析 由电荷守恒定律可知甲 乙两物体带电后 甲带正电为1 6 10 15C 则乙物体应带负电1 6 10 15C 乙与丙接触后 乙 丙电量重新分布 由于是完全相同的物体 故乙所带电荷平均分配到乙 丙两物体上 故乙 丙最后均带负电8 10 16C 答案 AD 四 验电器的使用例4 如右图所示 有一带正电的验电器 当一金属球A靠近验电器的小球B 不接触 时 验电器的金箔张角减小 则 A 金属球可能不带电B 金属球可能带负电C 金属球可能带正电D 金属球一定带负电 解析 验电器的金箔之所以张开 是因为它们都带有正电荷 而同种电荷相排斥 张开角度的大小决定于两金箔带电荷量的多少 如果A球带负电 靠近验电器的B球时 异种电荷相互吸引 使金箔上的正电荷逐渐 上移 从而使两金箔张角减小 选项B正确 同时否定选项C 如果A球不带电 在靠近B球时 发生静电感应现象使A球靠近B球的端面出现负的感应电荷 而背向B球的端面出现正的感应电荷 A球上的感应电荷与验电器上的正电荷发生相互作用 由于负电荷离验电器较近而表现为吸引作用 从而使金箔张角减小 选项A正确 同时否定选项D 答案 AB 名师点拨 验电器可以判断物体是否带电 带电荷的种类和电荷量的多少 当带电体靠近验电器导体棒上端或接触导体棒上端时 验电器的金属箔都会张开 但要注意区分带电体靠近验电器金属球和接触金属球 验电器所带电荷的不同 利用验电器除了能检验电荷 还能演示静电感应现象 巩固练习 4 如下图所示 用起电机使金属球A带上正电 靠近验电器B 则 A 验电器金箔不张开 因为球A没有和B接触B 验电器金箔张开 因为整个验电器都带上了正电C 验电器金箔张开 因为整个验电器都带上了负电D 验电器金箔张开 因为验电器下部箔片都带上了正电解析 当带正电的球A靠近验电器B时 由于A球对B的感应使验电器金属球的电荷重新分布 箔片带上了正电 从而金箔张开 故D选项正确 答案 D 课后巩固提升巩固基础1 关于摩擦起电和感应起电 以下说法正确的是 A 摩擦起电是因为电荷的转移 感应起电是因为产生电荷B 摩擦起电是因为产生电荷 感应起电是因为电荷的转移C 不论是摩擦起电还是感应起电 都是因为电荷的转移D 以上说法均不正确 解析 摩擦起电和感应起电 以及接触起电 三种带电方式的实质都是电荷的转移 故C选项正确 答案 C 2 有一个质量很小的小球A 用绝缘细线悬挂着 当用毛皮摩擦过的硬橡胶棒B靠近它时 看到它们互相吸引 接触后又互相排斥 则下列说法正确的是 A 接触前 A B一定带异种电荷B 接触前 A B可能带异种电荷C 接触前 A球一定不带任何净电荷D 接触后 A球一定带负电荷 解析 由于电介质极化 任何带电体都可吸引轻小物体 而不能认为只有异种电荷才存在吸引力 所以A可以不带电 也可以带正电 接触后 由于A B所带电量多少关系不定 所以可能带负电 也可能带正电 答案 B 3 下列说法正确的是 A 当一种电荷出现时 必然有等量的异种电荷出现 当一种电荷消失时 必然有等量的异种电荷消失B 所有带电体的电荷量一定等于元电荷的整数倍C 元电荷的值通常取作e 1 60 10 19CD 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 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 由电荷守恒定律可知 电荷的总量保持不变 故A选项正确 答案 ABCD 4 关于摩擦起电现象 下列说法中正确的是 A 摩擦起电现象使本没有电子和质子的物体中产生了电子和质子B 两种不同材料的绝缘体互相摩擦后 同时带上等量异种电荷C 摩擦起电 可能是摩擦中导致质子从一个物体转移到了另一个物体而形成的D 丝绸摩擦玻璃棒时 电子从玻璃棒上转移到丝绸上 玻璃棒因质子数多于电子数而显示带正电 解析 摩擦起电实质是由于两个物体的原子核对核外电子的约束能力不相同 因而电子可以在物体间转移 若一个物体失去电子 其质子数比电子数多 我们说它带正电 若一个物体得到电子 其质子数比电子数少 我们说它带负电 使物体带电并不是创造出电荷 答案 BD 5 毛皮与橡胶棒摩擦后 毛皮带正电 这是因为 A 毛皮上的一些电子转移到橡胶棒上B 毛皮上的一些正电荷转移到橡胶棒上C 橡胶棒上的一些电子转移到毛皮上D 橡胶棒上的一些正电荷转移到毛皮上解析 摩擦起电的实质是电子从一个物体转移到另一个物体 毛皮和橡胶棒摩擦后毛皮带正电 是毛皮上的一些电子转移到橡胶棒上 从而毛皮带正电 故A选项正确 答案 A 6 关于元电荷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 一个带电体的电荷量为105 6倍的元电荷C 元电荷是最小的带电单位D 元电荷没有正负之分解析 元电荷是指的最小的电荷量 数值为e 1 6 10 19C 元电荷不是带电体 没有电性之分 故C D选项正确 答案 CD 提升能力7 将带电棒移近两个不带电的导体球 两个导体球开始时互相接触且对地绝缘 如右图所示 下列几种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 先将棒接触一下其中一球 再把两球分开D 棒带的电荷量如果不变 不能使两导体球带电解析 带电棒移近两导体时 使两个导体的电荷重新分布 甲 乙左右两端出现等量异种电荷 在棒的作用下 将两球分开 再移走棒 甲 乙两球就带上等量异种电荷 故A选项正确 将棒与其中一球接触后 三物体均带电 再把两球分开 两球带有同种电荷 故C选项正确 答案 AC 8 A和B是两个大小相同的带电介质小球 用等长绝缘细线将它们悬挂在水平杆上 在两球连线的延长线上A球左侧放一个带正电荷的固定小球C时 如下图所示 A B两球的悬线都保持竖直方向 则下列说法中正确的是 A A B两球均带正电B A B两球均带负电C A带正电 B带负电D A带负电 B带正电 解析 若两球均带正电 则A球能在竖直方向平衡 而B球受到C与A的排斥力 将偏离竖直方向 不可能在竖直方向平衡 若两球均带负电 A球受到C球的引力和B球的斥力 将偏离竖直方向 即A球不可能在竖直方向平衡 若二者均在竖直位置平衡 则A B应带异种电荷 且A带负电 B带正电 所以D选项正确 答案 D 9 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 b排斥c c排斥a d吸引b则 A 仅有两个小球带同种电荷B 仅有三个小球带同种电荷C c d小球带同种电荷D c d小球带异种电荷解析 应用两种电荷相互作用的规律 可知b c a带同种电荷 a d带异种电荷 故B D选项正确 答案 BD 10 绝缘细线上端固定 下端挂一轻质小球a a的表面镀有铝膜 在a的近旁有一绝缘金属球b 开始时a b都不带电 如下图所示 现使b球带电 则 A b将吸引a 吸住后不放开B b先吸引a 接触后又把a排斥开C a b之间不发生相互作用D b立即把a排斥开 解析 b球带电后 使a产生静电感应 感应的结果是a靠近b的一侧出现与b异种的感应电荷 远离b的一侧出现与b同种的感应电荷 虽然a上的感应电荷等量异号 但因为异种电荷离b更近 所以b对a的电场力为引力 当b吸引a使两者接触后 由于接触带电 b a又带上同种电荷 有斥力作用 因而又把a排斥开 所以B项正确 答案 B 11 有三个完全相同的绝缘金属小球 A端带电荷量为Q B C不带电 要使B球带有的电荷量 应该怎样办 答案 见解析 解析 由于两个完全相同的金属球接触时 剩余电荷量平均分配 因此可以用以下四种方法 1 A与C接触后分开 再让B与C接触后分开 然后A与B接触后分开 B所带电荷量为 2 A与C接触后分开 再让A与B接触后分开 然后B与C接触后分开 3 A与B接触后分开 再B与C接触后分开 然后A与B接触后分开 4 A与B接触后分开 再A与C接触后分开 然后B与C接触后分开 12 完全相同的两个金属小球A B带有相等的电荷量 相隔一定距离 今让第三个相同的不带电金属小球C先后与A B接触后移开 求 1 若A B两球带有同种电荷 求则最后的电荷量之比 2 若A B两球带异种电荷 则最后电荷量之比 解析 1 若A B带同种电荷设电荷量为Q 第三个小球C与A接触后 平分A的电荷量 A剩余电荷量为球与B接触后 总电荷量为 二者平分 B带电荷量为则A B电荷量之比为 2 若A B带异种电荷 设A为 Q B为 Q C球与A接触后带电荷量为球与B接触先中和最后剩余电荷量为两者平分 B球电荷量为则A B最后电荷量之比为 答案 1 2 3 2 2 1 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全