物理必修 第三册1 电荷学案设计

电荷

必备知识·自主学习

一、电荷及起电方式

以上四个图,均发生了带电现象,物体带电是怎么回事?电荷有哪些特性?怎样使物体带上电呢?

提示:物体带电是发生了电子的转移;同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引;可以通过摩擦起电、感应起电和接触起电的方式使物体带电。

1.两种电荷:

(1)电荷的分类:

①正电荷:和用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷性质一样的电荷。

②负电荷:和用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷性质一样的电荷。

(2)电荷的性质:同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引;且带电体有吸引轻小物体的性质。

2.物质的微观结构:

(1)原子结构:

(2)原子电性:原子核的正电荷的数量与核外电子负电荷的数量一样多,整个原子对外界表现为电中性。

(3)离子的电性:失去电子的原子为带正电的离子;得到电子的原子为带负电的离子。

3.摩擦起电:两个物体相互摩擦时,电子从一个物体转移到另一个物体,原来呈电中性的物体由于得到电子而带负电,丢失电子的物体则带正电。

4.感应起电:

(1)自由电子:金属中离原子核较远的能脱离原子核的束缚而在金属中自由活动的电子。

(2)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。

(3)感应起电:利用静电感应使金属导体带电的过程。

5.接触起电:带电体接触导体时,电荷转移到导体上,使导体带同种性质的电荷。

二、电荷守恒定律及元电荷、比荷

1.电荷守恒定律:

(1)内容: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。

(2)在发生正、负电荷产生或湮没的过程中,电荷的代数和不变,所以电荷守恒定律的另一种表述是:一个与外界没有电荷交换的系统,电荷的代数和保持不变。

2.元电荷:

(1)电荷量:用来表示电荷的多少,其单位是库仑,简称库,用C表示。

(2)元电荷:

①最小的电荷量叫作元电荷,用e表示,计算中,常取e=1.60×10-19 C。

②对元电荷的三点理解:a.元电荷没有正、负之分,也不是实物粒子;b.质子及电子所带电荷量的绝对值与元电荷相等,但不能说它们是元电荷;c.电荷量不能连续变化,自然界中带电体的电荷量都是元电荷e的整数倍。

3.比荷:带电粒子的电荷量与质量的比叫作比荷。虽然电荷有正负,但这里的电荷量取绝对值,因此比荷只有正数。电子的比荷为=1.76×1011 C/kg。

(1)用丝绸摩擦玻璃棒,玻璃棒带正电,证明正电荷从丝绸转移到玻璃棒上。(×)

(2)摩擦起电的过程是电子从一个物体转移到另一个物体的过程。(√)

(3)原来不带电的丝绸和玻璃棒相互摩擦后分别带上了异种电荷,说明通过摩擦可以创造电荷。(×)

(4)电子的电荷量e的数值最早是由库仑通过实验测出的。(×)

(5)元电荷就是质子或电子。(×)

(6)所有带电体的电荷量一定等于元电荷的整数倍。(√)

关键能力·合作学习

知识点一　三种起电方式的比较

(教材二次开发·P3[实验]改编)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。

探讨:(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?

(4)再把带正电物体C和A接触,金属箔片又有什么变化?

提示:(1)C移近导体A,两侧金属箔片都张开;

(2)金属箔片仍张开;

(3)A、B接触,金属箔片都闭合;

(4)两侧金属箔片都张开。

【典例】如图所示,当将带正电的球C移近不带电的枕形金属导体AB时,枕形导体上的电荷移动情况是 (　　)

A.正电荷向B端移动,负电荷不移动

B.带负电的电子向A端移动,正电荷不移动

C.正、负电荷同时分别向B端和A端移动

D.正、负电荷同时分别向A端和B端移动

【解析】选B。金属导电的实质是自由电子的移动,即枕形金属导体中的自由电子向A端移动,正电荷不移动。故B正确,A、C、D错误。

 (多选)(母题追问)在【典例】中若把C改成带负电的小球,如图所示,置于枕形金属导体AB附近,导体的A端感应出正电荷,B端感应出负电荷。关于使导体带电的以下说法中正确的是(　　)

A.如果用手摸一下导体的B端,B端自由电子将经人体流入大地,手指离开,移去带电体C,导体带正电

B.如果用手摸一下导体的A端,大地的自由电子将经人体流入导体与A端的正电荷中和,手指离开,移去带电体C,导体带负电

C.如果用手摸一下导体的中间,由于中间无电荷,手指离开,移去带电体C,导体不带电

D.无论用手摸一下导体的什么位置,导体上的自由电子都经人体流入大地,手指离开,移去带电体C,导体带正电

【解析】选A、D。无论用手摸一下导体的什么位置,都会使枕形导体通过人体与大地相连,由于静电感应,导体上的自由电子将经人体流入大地,使得导体带正电,手指离开,移去带电体C,导体带正电,故选A、D。

【加固训练】

　　如图所示,用丝绸摩擦过的玻璃棒和验电器的金属球接触,使验电器的金属箔片张开,关于这一现象下列说法正确的是              (　　)

A.两片金属箔片上带异种电荷

B.两片金属箔片上均带负电荷

C.箔片上有电子转移到玻璃棒上

D.将玻璃棒移走,则金属箔片立即合在一起

【解析】选C。自然界只存在两种电荷,正电荷和负电荷,丝绸摩擦过的玻璃棒带正电,即缺少电子,若将其接触验电器的金属球,此时两个箔片带同种电荷,即带正电荷;在此过程中,一部分电子会从验电器的金属球转移到玻璃棒;移走玻璃棒时,箔片仍带电,不会立即合在一起,选项C正确。

知识点二　电荷守恒定律　电荷分配规律

1.“中性”与“中和”的理解:

(1)中性:物体内有电荷存在,但正、负电荷的绝对值相等,对外不显电性。

(2)中和:两个带有等量异种电荷的带电体相遇达到电中性的过程。

2.两金属导体接触后电荷量的分配规律:

(1)当两个带同种电荷的导体,材料、形状不同时,接触后再分开,只能使两者均带电,但无法确定电荷量的多少。

(2)若使两个完全相同的金属球带电荷量大小分别为q1、q2,则有

　甲、乙两同学各拿一带电小球,做实验时不小心两小球接触了一下,结果两小球都没电了!

讨论:(1)电荷到哪里去了呢?是否违背了电荷守恒定律?

(2)两带电导体接触后,电荷量一定相同吗?

提示:(1)两球上的异种电荷中和了,即正、负电荷代数和为0,对外不显电性;没有违背电荷守恒定律。

(2)不一定。

【典例】有两个完全相同的带电绝缘金属球A、B,分别带有电荷量QA=6.4×10-9 C,QB=-3.2×10-9 C,让两绝缘金属球接触。在接触后,A、B带电荷量各是多少?此过程中电荷发生了怎样的转移,转移了多少?

【解析】当两球接触时,带电荷量少的负电荷先被中和,剩余的正电荷再重新分配。由于两球相同,剩余正电荷必均分,即接触后两球带电荷量QA′=QB′= = C=1.6×10-9 C。在接触过程中,电子由B球转移到A球,不仅将自身电荷中和,且继续转移,使B球带QB′的正电荷。这样,共减少的电子电荷量为:Q减=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

 (多选)原来甲、乙、丙三物体都不带电,今使甲、乙两物体相互摩擦后,乙物体再与丙物体接触,最后,得知甲物体带正电荷1.6×10-15 C,丙物体带电荷量的大小为8×10-16 C。则对于最后乙、丙两物体的带电情况,下列说法中正确的是(　　)

A.乙物体一定带有负电荷8×10-16 C

B.乙物体可能带有负电荷2.4×10-15 C

C.丙物体一定带有正电荷8×10-16 C

D.丙物体一定带有负电荷8×10-16 C

【解析】选A、D。由于甲、乙、丙原来都不带电,即都没有净电荷,甲、乙摩擦导致甲失去电子带1.6×10-15 C的正电荷,乙物体得到电子而带1.6×10-15 C的负电荷;乙物体与不带电的丙物体相接触,从而使一部分负电荷转移到丙物体上,故可知乙、丙两物体都带负电荷,由电荷守恒可知乙最终所带负电荷为1.6×

10-15 C-8×10-16 C=8×10-16 C,故A、D正确。

【加固训练】

 (多选)已知验电器带上正电荷后,验电器上的金箔张开了一定角度,下列说法正确的是(　　)

A.如果用另一带电体接触验电器的金属球,金箔张角更大,则可以判定带电体一定带正电

B.如果用另一带电体接触验电器的金属球,金箔张角变小,则可以判定带电体一定带负电

C.如果用另一带电体接触验电器的金属球,金箔张角先变小后变大,则可以判定带电体一定带负电

D.如果用另一导体靠近验电器的金属球,金箔张角变大,则可以判定导体一定带负电

【解析】选A、C。验电器上带正电荷后,验电器上的金箔张开一定角度,如果用另一个带电体接触验电器的金属球,金箔张角变大,说明电荷量变大,则带电体一定带正电,故A正确;如果用另一带电体接触验电器的金属球,金箔张角变小,则带电体可能带负电,也可能不带电,也可能带正电,但电荷量较小,故B错误;如果用另一带电体接触验电器的金属球,金箔张角先变小后变大,则可以判定带电体带负电,接触时电荷量先中和后平分,故C正确;如果用另一导体靠近验电器的金属球,金箔张角变大,是由于静电感应,同种电荷相斥,金属箔上的正电荷增加,张角增大,故导体带正电,D错误。

【拓展例题】考查内容:验电器的原理和应用

【典例】(多选)某验电器金属小球和金属箔均带负电,金属箔处于张开状态。现用绝缘柄将带有少量负电荷的硬橡胶棒向验电器的金属小球稍许移近,则验电器金属箔              (　　)

A.张角稍许增大

B.张角稍许减小

C.硬橡胶棒的稍许靠近,致使小球上的电子向金属箔移动

D.硬橡胶棒的稍许靠近,致使金属箔上的质子向金属小球移动

【解析】选A、C。硬橡胶棒稍许靠近金属小球时,负电荷间产生排斥力,致使小球上电子向金属箔上移动。而金属箔上质子即使受到吸引力也无法移动。金属小球上电子向金属箔上聚集,金属箔上负电荷增多,两金属箔片间排斥力增大,故两金属箔片间张角增大。

情境·模型·素养

中央电视台某节目中介绍说,蜜蜂在飞行过程中由于与空气摩擦产生静电,因此蜜蜂在飞行中就可以吸引带正电的花粉。

探究:

(1)蜜蜂本身带什么电荷?

(2)蜜蜂飞行过程中,电荷如何实现转移?

【解析】(1)蜜蜂飞行过程可以吸引带正电的花粉,蜜蜂本身带负电。

(2)蜜蜂在飞行过程中与空气摩擦产生静电,蜜蜂带负电,说明摩擦过程中,空气中的电子转移到蜜蜂身上。

答案:见解析

干燥的天气里一个人脱了鞋在地毯上走,身上聚集了-4.8×10-5 C的电荷。已知电子质量me=9.1×10-31 kg,电子电荷量e=-1.6×10-19 C。

探究:

(1)多少个电子的电荷量等于-3.2×10-5 C?

(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-3.2×10-5 C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

课堂检测·素养达标

1.以下关于静电现象的说法错误的是(　　)

A.穿着化纤服装的人在晚上脱衣服时常看到闪光并伴有轻微的“噼啪”声,这是由摩擦起电所造成的现象

B.脱化纤服装时,由于摩擦起电产生的电压可能高达几千伏

C.摩擦起电产生的电压总是很低的,因此不会对人造成伤害

D.脱化纤服装时,由于摩擦起电产生的静电能量很微小,通常不会对人造成伤害

【解析】选C。穿着化纤服装的人在晚上脱衣服时,常会看到“闪光”并伴有轻微的“噼啪”声,这是由于衣服和衣服、衣服和皮肤摩擦起电所造成的现象,A正确。摩擦起电有的电压高,有的电压低,出现“噼啪”声大约有上万伏的电压了,B正确,C错误。脱化纤服装时,虽然摩擦起电产生的电压高,但是电流很小,通常不会对人造成伤害,D正确。因选错误选项,故选C。

2.(多选)将一带负电的通过绝缘支架支撑的金属小球置于潮湿的空气中,经过一段时间后,发现该小球上带的负电荷几乎不存在了。这说明(　　)

A.小球上原有的负电荷彻底消失了

B.在此现象中,电荷不守恒

C.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

D.该现象是由电子转移引起的,仍然遵循电荷守恒定律

【解析】选C、D。金属小球上的负电荷减少是由于电子通过潮湿的空气转移到外界,但是这些电子并没有彻底消失,就小球和整个外界组成的系统而言,其电荷的总量仍保持不变,仍遵循电荷守恒定律,故A、B错误,C、D正确。

3.使带电的金属球靠近不带电的验电器,验电器的金属箔片张开,如图表示验电器上感应电荷的分布情况,正确的是(　　)

【解析】选B。把带电金属球靠近不带电的验电器,会改变验电器上的电荷分布;由于电荷间同性相斥、异性相吸,使得验电器上靠近带电金属球的一端和金属球电性相反,而远离带电金属球的一端和金属球电性相同,故选项B正确。

【加固训练】

　　如图所示,有一带正电的验电器,将不带电的金属球A接触验电器的小球B时,验电器的金箔张角(　　)

A.变大　　　　　　　　　　　 B.变小

C.不变        D.先变小,后变大

【解析】选B。有一带正电的验电器,将不带电的金属球A接触验电器的小球B时,金属球A将带正电,根据电荷守恒定律有,验电器的电荷减小,验电器的金箔张角减小,故B正确,A、C、D错误。

4.如图所示是一幅科普漫画,漫画中的英文意思是“(电子)不能被分成两半”,这幅科普漫画要向读者传达的主要物理知识应该是(　　)

A.电子带负电荷

B.电子是构成原子的粒子

C.电荷既不会创生,也不会消灭

D.所有带电体的电荷量都是元电荷的整数倍

【解析】选D。题干中说“(电子)不能被分成两半”,表达的意思是电子所带的电荷量是最小电荷量,不能再分为更小的电荷量,所有带电体的电荷量都是电子所带电荷的整数倍,因此D项符合题意,A、B、C错误。

5.如图所示,一厚度不计的金属圆桶带电荷总量为Q=+4×10-6 C。

(1)此时,金属桶内、外表面带电荷量分别为多少?

(2)如果用丝线在桶内悬挂一带电荷量q=-2×10-6 C的带电小球,桶内、外表面带电荷量分别为多少?

(3)若桶内金属小球与内表面接触一下,桶内、外表面带电荷量分别为多少?

(4)若小球悬挂时,用手接触一下桶外表面,然后再将小球从桶中取出,则金属桶内、外表面带电荷量又为多少?

【解析】(1)由于带电金属的电荷只分布在金属的外表面上,所以开始时金属桶内表面不带电,外表面带的电荷量为+4×10-6 C;

(2)如果用丝线在桶内悬挂一带电荷量q=-2×10-6 C的小球,根据电容器的特点可知,金属桶的内表面将带上与小球相等的正电荷,即内表面的带电量是+2×10-6 C,所以外表面的带电量为(4×10-6-2×10-6) C=2×10-6 C;

(3)若桶内金属小球与内表面接触一下则正、负电荷首先要中和,此时金属桶的内表面的电荷将变成0,而外表面的带电量仍然为:(4×10-6-2×10-6) C=2×

10-6 C;

(4)若小球悬挂时,用手接触一下桶外表面,人与金属桶组成新的导体,所以金属桶的外表面的电荷将被中和,然后再将小球从桶中取出,则金属桶内表面的电荷将再次变成0,内表面的电荷全部转移到外表面,所以外表面电荷量又为+2×

10-6 C

答案:(1)q内=0,q外=+4×10-6 C

(2)q内=q外=+2×10-6 C

(3)q内=0,q外=+2×10-6 C

(4)q内=0,q外=+2×10-6 C

课时素养评价

一　电　　荷

　 (15分钟·30分)

一、选择题(本题共4小题,每题5分,共20分)

1.如果天气干燥,晚上脱毛衣时,会听到“噼啪”的响声,还会看到电火花,这种现象产生的原因是 (　　)

A.人身体上产生电流

B.接触带电造成的

C.摩擦起电造成的

D.感应起电造成的

【解析】选C。在干燥的天气中脱毛衣时,毛衣与里面的衣服摩擦,使它们带有异种电荷,电荷放电,发出“噼啪”声,所以属于摩擦起电,故A、B、D错误、C正确。故选C。

2.(2020·本溪高二检测)下列叙述正确的是 (　　)

A.摩擦起电是创造电荷的过程

B.接触起电是电荷转移的过程

C.感应起电时,由于带电体和被感应导体不接触,所以一定是产生了电荷

D.一对正、负电子接触后,电荷会消失,这种现象叫电子的湮灭

【解析】选B。摩擦起电、接触起电、感应起电都是电荷的转移,A、C错,B对;正、负电子接触是电荷的中和,整体不再显示电性,并不是电荷消失,D错。

3.保护知识产权、抵制盗版是我们每个公民的责任与义务。盗版书籍影响我们的学习效率甚至给我们的学习带来隐患。小华有一次不小心购买了盗版的物理参考书,做练习时,他发现有一个关键数字看不清,拿来问老师,如果你是老师,你认为可能是下列哪个数值              (　　)

A.6.2×10-19 C　　 B.6.4×10-19 C

C.6.6×10-19 C  D.6.8×10-19 C

【解析】选B。任何带电体的带电荷量均是元电荷的整数倍,即是1.6×10-19 C的整数倍,由计算可知,只有B选项中的数值是1.6×10-19 C的整数倍,故B正确。

4.挂在绝缘细线下的两个轻质小球,表面镀有金属薄膜,由于电荷的相互作用而靠近或远离,分别如图甲、乙所示,则              (　　)

A.甲图中两球一定带异种电荷

B.乙图中两球一定带异种电荷

C.甲图中两球至少有一个带电

D.乙图中两球至多有一个带电

【解析】选C。题目中的小球都是镀有金属薄膜的轻质小球,带电物体具有吸引轻小物体的性质,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,所以可以判断出甲图的现象:可以是两个带异种电荷的小球,也可以是一个小球带电而另一个小球不带电;两个小球由于相互排斥而出现乙图中的现象,则必须都带电且是同种电荷,故选C。

【加固训练】

(多选)把两个完全相同的金属球A和B接触一下,再分开一小段距离,发现两球之间相互排斥,则A、B两球原来的带电情况可能是              (　　)

A.A和B原来带等量异种电荷

B.A和B原来带有同种电荷

C.A和B原来带异种不等量电荷

D.A原来带电,B原来是中性的

【解析】选B、C、D。两个小球原来分别带等量异种电荷,接触后电荷完全中和,两球不存在排斥力,故A不可能。两个小球原来分别带同种电荷,把两个完全相同的小球接触后电荷重新平分,带上等量同种电荷,存在排斥力,故B可能。两个小球原来分别带不等量异种电荷,小球接触后电荷先中和再平分,带上等量同种电荷,存在排斥力,故C可能。原来其中一个带电,把两个完全相同的小球接触后电荷平分,带上等量同种电荷,存在排斥力,故D可能。

二、计算题(10分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)

5.(2020·德州高二检测)有三个相同的绝缘金属小球A、B、C,其中A小球带有3×10-3 C的正电荷,B小球带有2×10-3 C的负电荷,小球C不带电。先让小球C与小球A接触后分开,再让小球B与小球A接触后分开,最后让小球B与小球C接触后分开,试求这时三个小球的带电荷量分别为多少。

【解析】总电荷量是守恒的,小球接触后平分电荷量;C、A接触后,A、C都带 C=1.5×10-3 C的正电荷量,让小球B与A接触后分开,A、B都带 C=-2.5×10-4 C的负电荷量,最后让小球B与小球C接触后,B、C都带 C=6.25×10-4 C的正电荷量。故最终三个小球的带电荷量分别为qA=-2.5×10-4 C,qB=6.25×10-4 C,qC=6.25×10-4 C。

答案:qA=-2.5×10-4 C　qB=6.25×10-4 C　qC=6.25×10-4 C

　 (10分钟·20分)

6.(6分)(多选)用棉布分别与聚丙烯塑料板和聚乙烯塑料板摩擦的实验结果如图,由此对摩擦起电的说法正确的是(　　)

A.两个物体摩擦时,表面粗糙的易失去电子

B.两个物体摩擦起电时,一定同时带上种类以及数量不同的电荷

C.两个物体摩擦起电时,带上电荷的种类不同但数量相等

D.同一物体与不同种类物体摩擦,该物体的带电种类可能不同

【解析】选C、D。题目没有提到物体的粗糙程度,所以不能判断出表面粗糙的物体易失去电子,故A错误;摩擦起电的实质是电荷的转移,在转移的过程中总电荷量保持不变,所以两个物体摩擦起电时,一定同时带上种类不同但数量相同的电荷,故B错误,C正确;用棉布分别与聚丙烯塑料板和聚乙烯塑料板摩擦,棉布分别带负电与带正电,说明同一物体与不同种类的物体摩擦时,该物体的带电种类可能不同,故D正确。

7.(14分)有两个完全相同的绝缘金属球A、B,A球所带电荷量为q,B球所带电荷量为-q,现要使A、B球所带电荷量都为-,应该怎样实现?

【解析】方法一:用手碰A球,A球失去电荷,将A、B球接触,A、B两球都带上-的电荷量,再用手碰A,A又失去电荷,再把A、B球接触,则A、B球都带上-

的电荷量。

方法二:用一个与A、B完全相同的不带电的金属球与A接触,A球带电荷量变为,再把A、B球接触,A、B球带电荷量都变为-。

答案:见解析

【加固训练】

　　(2020·邯郸高二检测)半径相同的两个金属小球A、B带有相等的电荷量,相隔一定的距离,现让第三个半径也相同的不带电的金属小球先后与A、B接触后再移开。

(1)若A、B带同种电荷,求接触后两球所带的电荷量之比;

(2)若A、B带异种电荷,求接触后两球所带的电荷量之比。

【解析】(1)若A、B带同种电荷,设所带电荷量为q,第三个小球先与A接触,电荷量平均分配,各带电荷量;第三个小球再与B接触,两球电荷量之和平均分配,各带电荷量q。因此A、B带电荷量之比=。

(2)若A、B两球带异种电荷,设A所带电荷量为q,B所带电荷量为-q,则第三个小球先和A接触,电荷量平均分配,各带电荷量;第三个小球再和B接触,先中和再平均分配,各带电荷量-q。所以A、B电荷量之比=。设A为-q,B为q,同理=。

答案:(1)2∶3　(2)2∶1