物理必修 第三册1 电荷导学案

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电荷[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念(1)知道自然界存在两种电荷，知道电荷量的概念及其国际单位。(2)理解电荷守恒定律。(3)知道元电荷的概念，体会电荷量是不连续的。科学思维(1)会用原子结构模型解释摩擦起电的原因。(2)观察并分析静电感应现象，进一步提高应用物理模型解释现象的能力。科学探究通过观察静电感应现象体会静电感应的实质。科学态度与责任(1)通过观察摩擦起电、静电感应等现象，激发对自然界的好奇心。(2)通过不同起电方式的分析、体会守恒观念对认识物理规律的重要性。知识点一　电荷1．物体带电物体具有吸引轻小物体的性质，我们就说它带了电，或有了电荷。2．两种电荷(1)自然界中只存在两种电荷：正电荷和负电荷。(2)电荷间的相互作用规律：同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引。两个物体带异种电荷相互吸引，但相互吸引的物体不一定是带异种电荷，因为带电体还具有吸引轻小物体的特性。3．电荷量及其单位(1)定义：电荷的多少叫作电荷量，常用符号Q或 q表示。(2)单位：在国际单位制中，电荷量的单位是库仑，简称库，用C表示。(3)正负：电荷有正负之分，正电荷的电荷量为正值，负电荷的电荷量为负值。4．物质的微观结构(1)原子结构：原子(2)原子电性：原子核的正电荷数量与电子的负电荷数量一样多，整个原子对外界较远位置表现为电中性。(3)自由电子：金属中原子的外层电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由运动，这种电子叫作自由电子。同一物体分别与不同种类的物体摩擦，该物体所带电荷的种类取决于两种物质的原子核束缚电子的能力的大小，故同一物体与不同种类的物体摩擦时，可能带上不同种类的电荷。5．三种起电方式(1)摩擦起电：由于摩擦而使物体带电的方式。原因：当两种物质组成的物体相互摩擦时，一些受原子核束缚较弱的电子会转移到另一个物体上。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。(2)感应起电①静电感应：当一个带电体靠近导体时，由于电荷间相互吸引或排斥，导体中的自由电荷便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，远离带电体的一端带同种电荷的现象。②感应起电：利用静电感应使金属导体带电的过程。(3)接触起电：带电体与导体接触时，会使这个导体带电的现象。1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)两个正电荷之间的作用力互为斥力，两个负电荷之间的作用力为引力。 (×)(2)摩擦起电的过程就是创造电荷的过程。               (×)(3)只有导体才能发生感应起电。 (√)(4)发生静电感应现象时，导体靠近带正电的物体的一端带负电荷。 (√)　在天气干燥的季节，脱掉外衣后再去摸金属门把手时，常常会被电一下。这是为什么？提示：在天气干燥的时候，由于摩擦，使身体和外衣都带了电，此时用手去摸金属门把手时，身体通过门把手放电，于是有电击的感觉。知识点二　电荷守恒定律表述1．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。表述2．一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。知识点三　元电荷1．定义：实验发现的最小电荷量就是电子所带的电荷量，这个最小的电荷量叫作元电荷，用符号e表示。2．所有带电体的电荷量都是e的整数倍，电荷量是不能连续变化的物理量。3．元电荷的大小：e＝1.602 176 634×10－19 C在计算中通常取e＝1.60×10－19 C。4．电子的比荷：电子的电荷量e与电子的质量me之比。其值＝1.76×1011 C/kg。元电荷不是实际的粒子，它表示最小的电荷量，没有正负。2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)电荷守恒定律是自然界中最基本的守恒定律之一。 (√)(2)元电荷就是质子或电子。               (×)(3)所有带电体的电荷量或者等于e或者是e的整数倍。 (√) 考点1　三种起电方式图甲是古老的摩擦起电机，图乙是感应起电机。结合图片，思考：甲　　　　　　　　　　乙(1)两个绝缘体发生摩擦为什么会带上电荷？(2)感应起电能发生在绝缘体上吗？原因是什么？提示：(1)两个绝缘体摩擦时，其中一个物体失去电子，另一个物体得到电子，分别带上了正、负电荷。(2)感应起电不会发生在绝缘体上，因为绝缘体中的电子不能自由移动。三种起电方式的比较方式内容　　摩擦起电感应起电接触起电产生条件两个不同的绝缘体摩擦带电体靠近导体带电体接触导体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，且电性与原带电体“近异远同”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束缚能力不同，摩擦时会出现电子从一个物体转移到另一个物体的现象导体中的自由电荷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荷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规律及注意事项原子核不能自由移动，相互摩擦的两个物体转移的不可能是正电荷，只能是电子，即带正电的物体一定失去了电子，带负电的物体一定得到了电子感应起电成功的关键是在带电体没移开之前先将导体分成两部分(或先断开接地线)，然后再移去带电体无论是带电体与中性物体接触还是两个带电体接触，转移的一定是带负电的电子【典例1】　如图所示是伏打起电盘的起电示意图，其起电原理是(　　)甲　　　　乙　　　　丙　　　　　丁A．摩擦起电B．感应起电C．接触起电D．以上三种都不是B　[图中绝缘板带正电，将接地的导电平板靠近带正电的绝缘板，因静电感应，导电平板靠近绝缘板的一侧带负电，另一侧的正电因接地而被中和掉；断开导电平板的接地线，手握绝缘柄将导电平板移开，导电平板上便带上了负电，其起电原理是感应起电。选B。]三种起电方式的辨析(1)两个不同物体摩擦，分别带等量异种电荷，是摩擦起电。(2)导体与带电导体接触，带同种电荷，是接触起电。(3)导体靠近带电体，导体两端带异种电荷，是感应起电。[跟进训练]1．(2021·天津静海一中期中)感应起电和摩擦起电都能使物体带电，关于这两种起电方式，下列说法正确的是(　　)A．感应起电和摩擦起电都是电荷从物体的一部分转移到另一部分B．感应起电是电荷从一个物体转移到另一个物体C．感应起电和摩擦起电都是电荷从一个物体转移到另一个物体D．摩擦起电是电荷从一个物体转移到另一个物体D　[感应起电的实质是电荷从物体的一部分转移到另一部分，摩擦起电的实质是电子从一个物体转移到另一个物体，故A、B、C错误，D正确。] 考点2　电荷守恒定律　元电荷小明同学用自制的验电器进行了一些探究实验。如图所示，小明使验电器带了负电荷，经过一段时间后，他发现该验电器的金属箔片(用包装巧克力的锡箔纸制作)几乎闭合了。关于此问题，他跟学习小组讨论后形成了下列观点，你认为哪些是正确的？①小球上原有的负电荷逐渐消失了。②在此现象中，电荷不守恒。③小球上负电荷减少的主要原因是潮湿的空气将电子导走了。④该现象是由于电子的转移引起的，仍然遵循电荷守恒定律。提示：正确的观点为③④，因电荷不会消失，电荷在转移过程中是守恒的。1．对元电荷的理解(1)元电荷e又称“基本电荷量”，是自然界存在的最小电荷量，最早是由美国科学家密立根用实验测得的。元电荷作为电荷量的单位，是物理学的基本常量之一，e＝1.60×10－19 C。(2)元电荷只是一个电荷量的单位，不是某种电荷，也没有正负，更不是物质。不能说电子或质子是元电荷，因为电子和质子是实实在在的粒子(虽然其所带电荷量为一个元电荷)。2．对电荷守恒定律的理解(1)电荷守恒定律不仅适用于宏观过程(电子的转移)，也适用于微观过程(核反应和粒子的转化过程)。(2)起电过程的实质是物体中正、负电荷的分离或转移。摩擦起电和接触起电是电荷“从一个物体转移到另一个物体”，感应起电是电荷“从物体的一部分转移到另一部分”。(3)电荷的总量是指电荷的代数和。(4)电荷的中和是指正、负电荷的代数和为0。名师点拨：接触起电的电荷量分配原则1．导体接触起电时电荷量的分配与导体的形状、大小有关。完全相同的金属球接触时，电荷量平均分配；形状、大小不同的导体接触时电荷量一般不能平均分配。无论哪种情况，接触前后电荷总量不变。2．完全相同的金属球接触起电时电荷量的分配情况 (1)完全相同的两个带同种电荷的金属球，电荷量分别为Q1和Q2，接触后两球的电荷量相等。Q′1＝Q′2＝。(2)完全相同的两个带异种电荷的金属球，电荷量分别为Q1和－Q2，接触后两球的电荷量相等。Q′1＝Q′2＝。　对元电荷的认识【典例2】　(2021·山东枣庄开学考试)关于元电荷的理解，下列表述正确的是(　　)A．元电荷就是电子或者质子B．物体所带的电荷量只能是元电荷的整数倍C．元电荷的大小是1库仑D．只有电子和质子的带电荷量等于元电荷B　[元电荷又称基本电荷量，在各种带电微粒中，电子电荷量的大小是最小的，人们把最小电荷量叫作元电荷，常用符号e表示，任何带电体所带电荷量都是e的整数倍。我们在计算中常取元电荷的值为e＝1.60×10－19 C，元电荷是基本电荷量，而不是电子或者质子，也不是只有电子和质子的带电荷量等于元电荷，故A、C、D错误，B正确。]元电荷不是实际的电荷，而是质子或电子所带的电荷量。元电荷是数值最小的电荷量，任何带电体的电荷量都是元电荷的整数倍，都不是连续变化的。　电荷守恒定律的应用【典例3】　有两个完全相同的带电绝缘金属球A、B，分别带有电荷量QA1＝6.4×10－9 C和QB1＝－3.2×10－9 C，让两个绝缘金属小球接触再分开，则：(1)分开后小球A、B的带电荷量QA2和QB2分别为多少？(2)在接触的过程中，电子如何转移且转移了多少个(元电荷e＝1.6×10－19C)?[解析]　(1)当两个小球接触时，带电荷量少的B小球上的负电荷先被中和，剩余的正电荷再重新分配。由于两个小球完全相同，所以剩余的正电荷必均分，即接触后两小球所带的电荷量QA2＝QB2＝ C＝1.6×10－9 C。(2)在两个小球接触的过程中，电子由B球转移到A球，使B球在自身电荷被中和后带QB2的正电荷，因此，共转移电子的电荷量ΔQ＝－QB1＋QB2＝3.2×10－9 C＋1.6×10－9 C＝4.8×10－9 C。转移的电子数N＝＝3.0×1010(个)，即电子由B球向A球转移，共转移了3.0×1010个。[答案]　(1)1.6×10－9 C　1.6×10－9 C　(2)电子由B球向A球转移，共转移了3.0×1010个本题的易错点在于转移电子电荷量的求解。在两个小球接触时，电荷先中和再均分是解题的关键。另外，应用元电荷概念求电子数时，应注意电荷量与电子数不是一回事。[跟进训练]2．(角度二)关于电荷守恒定律，下列叙述不正确的是(　　)A．一个物体所带的电荷量总是守恒的B．在与外界没有电荷交换的情况下，一个系统所带的电荷量总是守恒的C．在一定的条件下，一个系统内的等量的正、负电荷即使同时消失，也并不违背电荷守恒定律D．电荷守恒定律并不意味着带电系统一定和外界没有电荷交换A　[根据电荷守恒定律，单个物体所带电荷量是可以改变的，在与外界没有电荷交换的情况下，一个系统所带的电荷量总是守恒的，若一个系统内的等量的正、负电荷同时消失，并不违背电荷守恒定律，电荷守恒定律并不意味着带电系统一定和外界没有电荷交换，故A错误，B、C、D正确。A符合题意。] 考点3　验电器的使用如图所示，用带有负电的带电体A，靠近(不接触)不带电的验电器上端的金属球，验电器的两个箔片张开，则两个箔片带什么性质的电荷？提示：由感应起电可知，两个箔片都带上了负电荷。1．验电器的结构及工作原理如图所示，验电器主要由金属球、金属杆、金属箔、绝缘外壳等构成。其工作原理是当金属球、金属杆及金属箔带电后，根据同种电荷相互排斥，两片金属箔将在斥力作用下张开。2．验电器的常见用途及使用方法(1)常见用途①检验物体是否带电；②粗略检验带电荷量的多少；③检验电荷的电性(借助于一定的手段)。(2)常见的两种使用方法①带电体接触验电器：当带电体与验电器的金属球接触时，金属球带上电荷，与金属球相连的两片金属箔带上同种电荷，因相互排斥而张开。带电体所带电荷量越多，两片金属箔所带电荷量越多，斥力越大，张开的角度也越大。②带电体靠近验电器：当带电体靠近验电器的金属球时，带电体会使验电器的金属球感应出异种电荷，而金属箔上会感应出同种电荷，两片金属箔在斥力的作用下张开。【典例4】　将经丝绸摩擦过的玻璃棒靠近不带电的验电器，下列哪个图能正确反映玻璃棒和验电器的带电情况(　　)A　　 　　B　 　　　C　　 　　DA　[丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，靠近不带电的验电器金属球时，发生静电感应，金属箔片会张开，负电荷会被吸引到带电体附近的金属球上，正电荷会被排斥到远端的金属箔上，此时金属球上带的是负电，金属箔片上带的是正电，故A正确，B、C、D错误。][母题变式]1．在【典例4】中，若验电器原来带正电，用一根带大量负电的金属棒接触验电器的金属球，金属箔的张角将(　　)A．先变小后变大B．变大C．变小 D．先变大后变小A　[验电器原来带正电，如果用一根带大量负电的金属棒接触验电器的金属球，金属棒上的部分负电荷中和了验电器上的正电荷，验电器的金属箔片张角变小，但是还剩余一部分负电荷，验电器的金属箔片的张角还会变大，故A正确，B、C、D错误。]2．在【典例4】中，若有一带正电荷的验电器，一金属球A靠近验电器的小球B时，验电器金属箔张角减小，则金属球A(　　)A．可能不带电　 B．一定带正电C．可能带正电   D．一定带负电A　[验电器原来带正电，要使张角减小，则应使B处的电子转移到金属箔处，根据电荷间的相互作用，A球可能带负电；若A球不带电时，则由于感应，A球左侧也会带上负电，故会产生同样的效果；故A球可以带负电，也可以不带电，故A正确，B、C、D错误。]1．“顿牟”指琥珀，“掇芥”的意思是吸引草芥之类的轻小物体。不考虑万有引力的作用，发生“顿牟掇芥”时，两者可能的带电情况是(　　)A．琥珀带正电，草芥带正电B．琥珀带负电，草芥带负电C．琥珀带正电，草芥不带电D．琥珀不带电，草芥不带电C　[两者相互吸引时，可能带异种电荷，也可能一个带电，另一个不带电，选项C正确。]2．(多选)如图所示，两个互相接触的导体A和B不带电，现将带正电的导体C靠近A端放置，三者均有绝缘支架，下列说法正确的是(　　)A．导体A的左端感应出负电荷，导体B的右端感应出等量的正电荷B．导体A的左端感应出负电荷，导体B的右端感应出正电荷，但正、负电荷不一定等量C．若先将A、B分开，再移走C，则A带负电，B带正电D．若先将C移走，再把A、B分开，则A带负电，B带正电AC　[由于静电感应，导体A的左端感应出负电荷，导体B的右端感应出等量的正电荷，A正确，B错误；若把导体A和B分开，再移走C，导体A和B中的负、正电荷来不及中和，故A、B带上异种电荷，所以此时A带负电，B带正电，C正确；若先移走C，此时导体A和B中的负、正电荷中和，A和B均不带电，再把导体A和B分开，A和B仍不带电，D错误。]3．(多选)M和N是两个都不带电的物体。它们互相摩擦后，M带正电荷2.72×10－9 C，下列判断正确的有(　　)A．在摩擦前M和N的内部没有任何电荷B．摩擦过程中电子从M转移到NC．N在摩擦后一定带负电荷2.72×10－9 CD．M在摩擦过程中失去1.7×1010个电子BCD　[在摩擦前，物体内部存在着等量的异种电荷，对外不显电性，A错；M失去电子带正电，N得到电子带负电，所以电子是从M转移到N，B对；在摩擦起电过程中，得失电子数目是相等的，根据电荷守恒定律，M带正电荷2.72×10－9 C，则N一定带负电荷2.72×10－9 C，C对；M失去的电子数为n＝＝个＝1.7×1010个，D对。]4．情境：干燥的天气一个人脱了鞋在地毯上走，身上聚集了－4.8×10－5C的电荷。问题：若电子质量me＝9.1×10－31kg，电子电荷量e＝－1.6×10－19C。则：(1)多少个电子的电荷量等于－3.2×10－5C?(2)此人身上有多少个剩余电子？(3)他的质量增加了多少？[解析]　(1)每个电子电荷量为e＝－1.6×10－19 C，则－3.2×10－5C的电量需要的电子为n＝＝2×1014个。(2)此人身上有电子为n′＝＝3×1014个。(3)电子质量me＝9.1×10－31 kg，所以他的质量增加m＝3×1014×9.1×10－31 kg＝2.73×10－16 kg。[答案]　(1)2×1014个　(2)3×1014个　(3)2.73×10－16 kg回归本节知识，自我完成以下问题：1．什么是电荷？电荷有几种？什么叫电荷量？提示：摩擦过的琥珀能吸引像羽毛一类的轻小物体，我们就认为摩擦过的琥珀带有电荷。自然界中电荷有两种：正电荷和负电荷。电荷的多少叫电荷量，用Q表示，有时也可以用q表示。2．物体起电方式有几种？提示：摩擦起电、接触起电、感应起电三种方式。3．感应起电和摩擦起电有什么相同点吗？提示：都是电荷的重新分布，而不是产生了新的电荷；而且，在重新分布过程中，电荷的总量不发生变化。4．电荷守恒定律的内容是什么？提示：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。这个结论叫作电荷守恒定律。另一种更普遍的表述：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。5．什么是元电荷？带电体的电荷量是任意的吗？提示：电子所带的电荷量是最小的电荷量，人们把这个最小的电荷量叫做元电荷。所有带电体的电荷量都是e的整数倍，即电荷量是不能连续变化的物理量。(教师用书独具)富兰克林与避雷针现代避雷针是美国科学家富兰克林(Franklin,1706—1790)发明的。富兰克林认为闪电是一种放电现象。为了证明这一点，他在1752年7月的一个雷雨天，冒着被雷击的危险，将一个系着长长金属导线的风筝放飞进雷雨云中，并在金属线末端拴着一串铜钥匙。当雷电发生时，富兰克林的手接近钥匙，钥匙上迸出一串电火花，他的手上还有麻木感。幸亏这次传下来的闪电比较弱，富兰克林没有受伤。在成功地进行了捕捉雷电的风筝实验之后，富兰克林在研究闪电与人工摩擦产生的电的一致性时，从两者的类比中作出过这样的推测：既然人工产生的电能被尖端吸收，那么闪电也能被尖端吸收。他由此设想，若能在高物上安置一种尖端装置，就有可能把雷电引入地下。富兰克林设计了一种避雷装置：把一根数米长的细铁棒固定在高大建筑物的顶端，在铁棒与建筑物之间用绝缘体隔开，然后用一根导线与铁棒底端连接，再将导线引入地下。富兰克林把这种避雷装置称为避雷针。经过试用，避雷针果然能起到避雷的作用。避雷针的发明是早期电学研究中的第一个有重大应用价值的技术成果。　1．雷电的性质与摩擦产生的电的性质是否相同？提示：相同。2．闪电被尖端吸收的本质是什么？提示：云层中的电荷与尖端装置的异种电荷进行中和。