高中第一章 静电场的描述第一节 静电现象学案
展开一、各种起电方式
1.两种电荷的性质:同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。
2.物体带电的三种方法:摩擦起电、感应起电、接触起电。
二、元电荷
1.电荷量:物体所带电荷量的多少叫作电荷量,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:科学实验发现电子所带的电荷量最小,且其他带电体所带电荷量是电子或质子电荷量的整数倍,人们把一个电子或质子所带电量的绝对值叫元电荷,用e表示,在计算中通常取e=1.60×10-19 C。
3.比荷:电子的电荷量e跟电子的质量me之比,叫作电子的比荷,其值为eq \f(e,me)=1.76×1011 C/kg。
三、电荷守恒定律
1.内容:电荷既不能被创造,也不能被消灭,它们只能从一个物体转移到其他物体,或者从物体的一个部分转移到另一部分。在任何转移的过程中,电荷的总量保持不变。
2.适用范围:电荷守恒定律不仅在一切宏观物理过程中成立,而且也是一切微观物理过程所普遍遵守的规律。
四、静电现象的解释
1.摩擦起电
当两个物体互相摩擦时,使一个物体中的一些原子的电子获得了能量,挣脱了原子核的束缚,转移到了另外一个物体上。如玻璃棒与丝绸摩擦时,玻璃棒容易失去电子而带正电,丝绸因有了多余电子而带负电。
2.感应起电
当一个带电体靠近导体时,导体中的自由电子会向靠近或远离带电体的地方移动。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。
1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)不论是摩擦起电还是感应起电,都是电荷的转移。(√)
(2)两个互相摩擦的物体一定是同时带上种类不同的电荷,且电荷量相等。(√)
(3)带等量异种电荷的两个导体接触后,电荷会消失,这种现象叫作电荷的湮灭。 (×)
(4)任何带电体的电荷量都是e的整数倍。(√)
2.公元1世纪,东汉王充《论衡·乱龙》中记录了“顿牟掇芥”。顿牟即琥珀(也有玳瑁的甲壳之说),芥指芥菜子,统喻干草、纸等的微小屑末。这个词的意思就是经过摩擦的琥珀能吸引干草、纸等轻小的物体。下列关于这个现象的解释正确的是( )
A.经过摩擦的琥珀有了磁性
B.经过摩擦的琥珀带了电
C.琥珀与干草带异种电荷
D.琥珀与干草带同种电荷
B [摩擦可以使物体带电,经过摩擦的琥珀带了电,能吸引干草、纸等轻小的物体,故B正确,A错误。同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引;带电体都有吸引轻小物体的性质,干草不一定带电,故CD错误。]
3.(多选)下列关于电荷量和元电荷的说法正确的是( )
A.物体所带的电荷量可以是任意实数
B.物体带正电荷1.6×10-9 C,是因为失去了1.0×1010个电子
C.物体带电量的最小值是1.6×10-19 C
D.以上说法都不正确
BC [元电荷的数值为e=1.6×10-19 C,任何带电体的电荷量都是e的整数倍,所以物体带的电荷量不能是连续的数值,更不能是任意的,所以BC正确。]
(1)如图所示,取一对用绝缘柱支撑的导体A和B,使它们彼此接触。起初它们不带电,贴在下部的金属箔片是闭合的。
①把带正电荷的物体C移近导体A,金属箔片有什么变化?
②这时把A和B分开,然后移去C,金属箔片又有什么变化?
③再让A和B接触,又会看到什么现象?
(2)带正电的物体A与不带电的物体B接触,使物体B带上了什么电荷?在这个过程中电荷是如何转移的?
提示:(1)①C移近导体A,两侧金属箔片都张开;
②金属箔片仍张开,但张角变小;
③A、B接触,金属箔片都闭合。
(2)正电荷,在这个过程中,有电子从物体B转移到物体A,物体B中电子数量减少,因此带正电。
1.三种起电方式的比较
2.三种起电方式各自遵循的规律
(1)摩擦起电时电荷转移的规律:
①摩擦起电时,原子核中的质子不能脱离原子核而移动,即相互摩擦的两个物体中转移的不可能是正电荷,转移的只是负电荷,即电子。
②电中性的两个绝缘体相互摩擦,带正电的物体一定是失去了电子,带负电的物体一定是获得了电子。
(2)感应起电的分布规律:
①近异远同:用带电体靠近不带电的导体时,会在靠近带电体的一端感应出与带电体电性相反的电荷,远离带电体的一端感应出与带电体电性相同的电荷。
②等量异性:用带电体靠近不带电的导体(或两不带电的相互接触的导体)时,会在原不带电的导体两端(或两不带电的相互接触的导体上)感应出等量异种的电荷。
(3)接触起电时电子转移的规律:
①带负电的物体与不带电的中性物体接触,电子由带负电的物体转移到中性物体上。
②带正电的物体与不带电的中性物体接触,电子由中性物体转移到带正电的物体上。
③带正电的物体与带负电的物体接触,电子由带负电的物体转移到带正电的物体上。
【例1】 (多选)如图所示,A、B为相互接触的用绝缘支柱支撑的金属导体,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,然后移走C,A、B上的金属箔片仍张开
C.把C移近导体A,先把C移走,再把A、B分开,A、B上的金属箔片仍张开
D.把C移近导体A,先把A、B分开,再把C移走,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
AB [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端带正电荷,其下部贴有的金属箔片分别带上了与A、B同种的电荷,所以金属箔片都张开,A正确;C只要一直在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,因而A、B仍带等量异种的感应电荷,此时即使再移走C,A、B所带电荷量也不变,金属箔片仍张开,B正确;但如果先移走C,A、B上的感应电荷会马上中和,不再带电,所以箔片都不会张开,C错;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上的感应电荷会完全中和,金属箔片都不会张开,D错。]
感应起电成功的关键是导体先分开为两部分,然后移去带电体,具备以下两个特点:
1近异远同;2等量异性。
eq \([跟进训练])
1.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情况,其中正确的是( )
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ACD项错误,B项正确。]
(1)在摩擦起电过程中,一个物体带上了正电荷,另一个物体带上了负电荷,该过程是否创造了电荷?在一个封闭的系统中,电荷的总量会增多或减少吗?
(2)物体所带的电荷量可以是任意的吗?物体所带的电荷量可以是4×10-19 C吗?
(3)电子和质子就是元电荷吗?
提示:(1)摩擦起电的过程并没有创造电荷,一个封闭的系统中,电荷的总量保持不变。
(2)物体所带的电荷量不是任意的,它只能是1.60×10-19 C的整数倍。由于4×10-19 C是1.60×10-19 C的2.5倍,所以物体所带的电荷量不能是4×10-19 C。
(3)元电荷是最小的电荷量,不是物质;电子和质子是实实在在的粒子,不是元电荷。
1.“中性”与“中和”的区别
(1)电中性的物体是有电荷存在的,只是正、负电荷的代数和为零,对外不显电性。
(2)电荷的中和是指等量正、负电荷完全抵消的过程,但正、负电荷本身依然存在,并没有消失。
2.物体带电的实质
不论哪一种带电方式都没有创造电荷,也没有消灭电荷,本质都是电子发生了转移。
3.完全相同的金属球接触带电时电荷量的分配情况
(1)用带电荷量是Q的金属球与不带电的金属球接触后,两小球均带eq \f(Q,2)的电荷量,电性与原带电金属球电性相同。
(2)若两金属球带同种电荷Q1、Q2,接触后每个金属球所带的电荷量均为总电荷量的一半,即Q1′=Q2′=eq \f(Q1+Q2,2),电性与两金属球原来所带电荷的电性相同。
(3)若两金属球带异种电荷Q1、-Q2,接触后先中和等量的异种电荷,剩余的电荷量平均分配即Q1″=Q2″=eq \f(|Q1-Q2|,2),电性与接触前带电荷量大的金属球的电性相同。
4.元电荷
(1)元电荷是最小的电荷量,而不是实物粒子,元电荷无正、负之分。
(2)虽然质子、电子的电荷量等于元电荷,但不能说质子、电子是元电荷。
(3)电子的比荷:电子的电荷量e与电子的质量me之比,叫做电子的比荷。
【例2】 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=6.4×10-9 C,QB=-3.2×10-9 C,让两绝缘金属小球接触。在接触后,A、B带电荷量各是多少?此过程中电子发生了怎样的转移,转移了多少电荷量?
[解析] 接触后两小球带电量
QA′=QB′=eq \f(QA+QB,2)=eq \f(6.4×10-9-3.2×10-9,2) C=1.6×10-9 C,在接触过程中,电子由B球转移到A球,不仅将自身净电荷中和,且继续转移,使B球带QB′的正电荷。这样,共转移的电子电荷量为:
ΔQ=QB-QB′=(-3.2×10-9-1.6×10-9) C=-4.8×10-9 C。
[答案] 均为1.6×10-9 C 电子由B球转移到了A球,转移了4.8×10-9 C
电荷量分配原则的两点注意
(1)电荷均分的前提条件是两导体完全相同。
(2)不同的导体接触后再分开,每个导体上所带电荷量不满足平均分配规律。
eq \([跟进训练])
2.放在绝缘支架上的两个完全相同的金属小球A、B分别带有电荷量QA=6.4×10-9 C、QB=-3.2×10-9 C,让两个金属小球接触,在接触过程中,电子如何转移?转移了多少个?
[解析] 两小球接触时,电荷量少的负电荷先被中和,剩余的正电荷再重新分配,由于两小球完全相同,剩余正电荷一定平分,即接触后两小球带电荷量QA′=QB′=eq \f(QA+QB,2)=eq \f(6.4×10-9-3.2×10-9,2) C=1.6×10-9 C
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,继续转移,使B球带QB′的正电,这样共转移的电荷量为
ΔQ=QB′-QB=1.6×10-9 C-(-3.2×10-9 C)
=4.8×10-9 C
则转移的电子数
n=eq \f(ΔQ,e)=eq \f(4.8×10-9,1.6×10-19)=3.0×1010(个)。
[答案] 电子由B球转移到A球 3.0×1010个
1.(多选)关于元电荷的理解,下列说法正确的是( )
A.元电荷就是电子
B.元电荷是表示1 C电量
C.元电荷是表示跟电子所带电荷量数值相等的电荷量
D.物体所带的电荷量只能是元电荷的整数倍
CD [元电荷是最小带电量,大小为e=1.6×10-19 C ,跟电子或质子所带电荷量相等,不是电荷种类,任何带电体的电荷量都为元电荷的整数倍,故CD正确。]
2.如图所示,验电器带有少量正电荷,将一带负电的小球从远处逐渐靠近验电器的金属球。此过程中,可能看到金属箔片张开的角度( )
A.不断增大
B.先减小至零,后逐渐增大
C.先增大,后减小
D.先增大,后不变
B [带有负电荷的小球慢慢靠近一个带有少量正电荷的验电器金属球,根据异种电荷相互吸引得出金属箔所带电荷变少,所以金属箔的夹角减小,随小球的靠近,验电器的金属球上的正电荷越来越多,所以金属箔上将开始带上负电荷,随负电荷的增多,此时验电器金属箔的张角也开始变大,即金属箔的夹角增大,故ACD错误,B正确。]
3.如图所示,小球A带正电,当带负电的小球B靠近A时,A带的( )
A.正电荷增加
B.负电荷增加
C.正、负电荷均增加
D.电荷量不变
D [当带负电的小球B靠近小球A时,两小球之间无接触,由电荷守恒定律可知,A带的电荷量不变,只是电荷重新在小球表面上发生了分布(电荷重新分布是由电荷之间的相互作用力产生的)。]
4.如图所示,将带正电的金属小球接触原来不带电的验电器A端之后拿走,下列关于验电器的带电情况正确的是( )
A.A端带正电,B端带正电
B.A端带负电,B端带负电
C.A端带负电,B端带正电
D.A端带正电,B端带负电
A [用带正电的小球去接触验电器的金属球,验电器中的电子将被吸附到带电小球上去,故带上正电,A、B两端电性相同,故选A。]
5.甲、乙、丙是三个完全相同的带绝缘支架的金属小球,先让带电荷量为+1.6×10-15 C的甲球与乙球接触,乙球再与不带电的丙球接触,接触后,丙球所带电荷量为-8×10-16 C,则( )
A.与甲球接触前乙球带有-3.2×10-15C的电荷
B.与甲球接触前乙球带有-4.8×10-15C的电荷
C.与甲球接触前乙球不带电
D.与甲球接触前乙球带有1.6×10-15C的电荷
B [由于甲、乙、丙是三个完全相同的小球,丙球不带电,乙、丙两个小球接触时,电荷量平均分配,可得与丙接触前乙球带的电荷量为Q乙=2Q丙=-1.6×10-15 C,甲、乙两小球接触时,由于带异种电荷,所以先中和再平分,可得Q乙=eq \f(Q甲+Q乙′,2)代入数据解得Q乙′=-4.8×10-15 C,故选B。]
对三种起电方式的理解
方式
内容
摩擦起电
感应起电
接触起电
产生条件
两不同绝缘体摩擦时
导体靠近带电体时
导体与带电体接触时
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
导体带上与带电体电性相同的电荷
微观解释
不同物质的原子核对核外电子的约束力不同,摩擦时电子从一物体转移到另一物体
导体中的自由电子受到带电体对它的排斥(或者吸引),而移向导体的远端(或者近端)
电荷间的相互作用,使得自由电子在带电体和导体上转移,且重新分布
实质
均为电荷在物体之间或物体内部的转移
电荷守恒定律、元电荷
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