（山東省專用）2018-2019學年高中物理 第一章 靜電場 第1節(jié) 電荷及其守恒定律講義（含解析）新人教版選修3-1.doc

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第1節(jié)電荷及其守恒定律 1.自然界中有兩種電荷，富蘭克林把它們命名為正、負電荷，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。 2．使物體帶電的方式有三種：摩擦起電、感應起電、接觸起電，這三種起電方式本質(zhì)都是電子的轉(zhuǎn)移，起電的過程遵循電荷守恒定律。 3．用橡膠棒與毛皮摩擦，毛皮帶正電，用絲綢與玻璃棒摩擦，玻璃棒帶正電，可以記為：“毛玻璃帶正電”。 4．電子或質(zhì)子所帶的電荷量是最小的電荷量，這個電荷量叫元電荷，用e表示，e＝1.6010－19 C。 5．兩個完全相同的帶電小球相互接觸后總電荷平均分配。如果兩個小球帶異種電荷，則先中和再均分。 一、電荷及三種起電方式 1．物質(zhì)的電結(jié)構(gòu) 原子由帶正電的原子核和帶負電的核外電子組成，原子核的正電荷的數(shù)量跟核外電子的負電荷的數(shù)量相等，所以整個原子對外界較遠位置表現(xiàn)為電中性。 金屬原子中離原子核較遠的電子，往往會脫離原子核的束縛而在金屬中自由活動，這種能自由活動的電子叫做自由電子，失去電子的原子便成了帶正電的離子。 2．兩種電荷及其相互作用規(guī)律 自然界中只有兩種電荷，富蘭克林把用絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷命名為正電荷，把用毛皮摩擦過的硬橡膠棒所帶的電荷命名為負電荷，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。 3．三種起電方式 (1)接觸起電：指一個不帶電的金屬導體跟另一個帶電的金屬導體接觸后分開，而使前者帶上電荷的方式。 (2)摩擦起電：由于相互摩擦的物體間的電子的得失而使原來不帶電的物體分別帶上等量異種電荷。 (3)感應起電：把一帶電物體靠近導體使導體帶電的方式。如圖所示，將帶電體C去靠近相互接觸的導體A、B，由于同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引，導體A、B上分別帶上等量異種電荷，這時先把A、B分開，然后移去C，則A和B兩導體上分別帶上了等量異種電荷。 二、電荷守恒定律及元電荷 1．電荷守恒定律 (1)內(nèi)容：電荷既不會創(chuàng)生，也不會消滅，它只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分；在轉(zhuǎn)移過程中，電荷的總量保持不變，這個結(jié)論叫做電荷守恒定律。 (2)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。 2．元電荷 (1)電荷量：用來表示電荷的多少。其單位是“庫侖”，簡稱“庫”，用C表示。 (2)元電荷 ①最小的電荷量叫做“元電荷”，用e表示，則e＝1.6010－19 C。 ②對元電荷的三點理解：a.元電荷沒有正、負之分，也不是實物粒子；b.質(zhì)子及電子所帶電荷量的絕對值與元電荷相等，但不能說它們是元電荷；c.電荷量不能連續(xù)變化，自然界中帶電體的電荷量都是元電荷e的整數(shù)倍。 3．比荷：電荷量與質(zhì)量的比。電子的比荷為＝1.761011 C/kg。 1．自主思考——判一判 (1)絲綢與任何物體摩擦后都帶負電。() (2)兩物體摩擦后，一定帶等量異種電荷。() (3)將帶電體靠近驗電器金屬球和帶電體與驗電器金屬球接觸，驗電器箔片都會張開，但二者本質(zhì)不同。(√) (4)元電荷實質(zhì)上是指電子和質(zhì)子本身。() (5)一個帶正電的金屬球與一個不帶電的金屬球接觸，帶正電的金屬球電荷量減少是因為帶正電金屬球的部分正電荷轉(zhuǎn)移到不帶電的金屬球中。() 2．合作探究——議一議 (1)不帶電的物體內(nèi)部是否有電荷？ 提示：不帶電的物體內(nèi)部有電荷，正負電荷電量相同，故對外不顯電性。 (2)帶有等量異號電荷的金屬球接觸后會發(fā)生電荷的中和，此時電荷被消滅了嗎？ 提示：中和時，系統(tǒng)所帶電荷的代數(shù)和不變，電荷并沒有消失，只是正、負電荷數(shù)相等，從而對外顯電中性。 三種起電方式 1．三種起電方式的比較 摩擦起電 感應起電 接觸起電 產(chǎn)生條件 兩種物體摩擦 導體靠近帶電體 導體與帶電體接觸 現(xiàn)象 兩物體帶上等量異種電荷 導體兩端出現(xiàn)等量異種電荷，且電性與原帶電體“近異遠同” 導體帶上與帶電體相同電性的電荷 原因 不同物質(zhì)的原子核對核外電子的束縛力不同而發(fā)生電子得失 導體中的自由電子受帶正(負)電物體吸引(排斥)而靠近(遠離) 自由電荷在帶電體與導體之間發(fā)生轉(zhuǎn)移 2．三種起電方式的本質(zhì) 三種起電方式都不是創(chuàng)造了電荷，只是電荷從一個物體轉(zhuǎn)移到了另一個物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到了另一部分，它們的本質(zhì)都是電荷的轉(zhuǎn)移，電荷總量保持不變。 [典例]　[多選]如圖所示，A、B為相互接觸并用絕緣支柱支持的金屬導體，起初都不帶電，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．把C移近導體A，先把C移走，再把A、B分開，A、B上的金屬箔片仍張開 D．把C移近導體A，先把A、B分開，再把C移走，最后重新讓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]　A、B開始都不帶電，把C移近導體A時，由于靜電感應，A、B中的自由電子向左移動，使得A端積累負電荷，B端積累正電荷，所以兩邊的金屬箔片都張開，A對；若此時先把A、B分開再移走C，因A、B已經(jīng)絕緣，所帶電荷量不會變，金屬箔片仍張開，B正確；但如果先移走C，A、B上的感應電荷會馬上中和，不再帶電，所以金屬箔片都不會張開，C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，金屬箔片都不會張開，D錯誤。 [答案]　AB (1)只有導體中的電子才能自由移動，絕緣體中的電子不能自由移動，所以導體能夠發(fā)生感應起電，而絕緣體不能。 (2)凡是遇到接地問題時，該導體與地球可視為一個導體，而且該導體可視為近端，帶異種電荷，地球就成為遠端，帶同種電荷。 　　　　 1．兩金屬小球所帶電荷量分別為＋3Q和－Q，將兩小球接觸后，它們所帶的電荷量一共為(　　) A．＋3Q　　　　　　　　　 B．＋2Q C．＋Q D．－Q 解析：選B　由電荷守恒定律知，兩小球接觸后帶電荷量的總量為中和后剩余量，即Q總＝＋3Q－Q＝＋2Q，故選項B正確。 2．如圖所示，在用絲綢摩擦玻璃棒起電的過程中(　　 ) A．玻璃棒帶正電，絲綢不帶電 B．絲綢與玻璃棒帶電情況完全相同 C．玻璃棒中的負電荷轉(zhuǎn)移到絲綢上，絲綢帶負電 D．絲綢中的正電荷轉(zhuǎn)移到玻璃棒上，玻璃棒帶正電 解析：選C　絲綢摩擦玻璃棒，玻璃棒帶正電，絲綢帶負電，A、B選項錯誤；微觀解釋是玻璃棒上的電子轉(zhuǎn)移到絲綢上，玻璃棒帶正電，絲綢帶負電，選項C正確，選項D錯誤。 3.如圖所示，用起電機使金屬球A帶正電，靠近驗電器B，則(　　) A．驗電器的金屬箔片不張開，因為球A沒有和B接觸 B．驗電器的金屬箔片張開，因為整個驗電器都帶上了正電 C．驗電器的金屬箔片張開，因為整個驗電器都帶上了負電 D．驗電器的金屬箔片張開，因為驗電器下部的兩金屬箔片都帶上了正電 解析：選D　帶正電的A球靠近驗電器B，據(jù)電荷“同性斥、異性吸”的特點知，驗電器金屬桿下端箔片中的電子會被A球上的正電荷吸引到驗電器上端，則金屬桿下端的箔片就會因帶正電荷而相斥，使箔片張開，故選D。 電荷守恒定律的理解及應用 1．“中性”與“中和”的理解 (1)中性：物體內(nèi)有電荷存在，但正、負電荷的絕對值相等，對外不顯電性。 (2)中和：兩個帶有等量異種電荷的帶電體相遇達到電中性的過程。 2．守恒的廣泛性 電荷守恒定律同能量守恒定律一樣，是自然界中最基本的規(guī)律，任何電現(xiàn)象都不違背電荷守恒定律，也涵蓋了近代物理實驗發(fā)現(xiàn)的微觀粒子在變化中遵守的規(guī)律。如：由一個高能光子可以產(chǎn)生一個正電子和一個負電子，一對正、負電子可同時湮滅，轉(zhuǎn)化為光子。在這種情況下，帶電粒子總是成對產(chǎn)生或湮滅，電荷的代數(shù)和不變。 3．兩金屬導體接觸后電荷量的分配規(guī)律 (1)當兩個導體材料、形狀不同時，接觸后再分開，只能使兩者均帶電，但無法確定電荷量的多少。 (2)若使兩個完全相同的金屬球帶電荷量大小分別為q1、q2，則有 ①??? ②??? 1．[多選]把兩個完全相同的金屬球A和B接觸一下，再分開一段距離，發(fā)現(xiàn)兩球之間相互排斥。則A、B兩球原來的帶電情況可能是(　　) A．帶有等量異種電荷 B．帶有不等量異種電荷 C．帶有等量同種電荷 D．一個帶電，另一個不帶電 解析：選BCD　兩個完全相同的金屬球若帶有等量的異種電荷，接觸后將均不帶電，若帶同種電荷，或一個帶電，另一個不帶電，接觸后均帶同種電荷，兩球間存在相互排斥力，故B、C、D均正確，A錯誤。 2．[多選]半徑相同的兩個金屬小球A、B帶有相等的電荷量，相隔一定的距離，今讓第三個半徑相同的不帶電的金屬小球先后與A、B接觸后移開。這時，A、B兩球的電荷量之比為(　　) A．2∶3　　　　　　 B．3∶2 C．2∶1 D．1∶2 解析：選AC　若A、B兩球帶等量的同種電荷，電荷量都為Q，則讓第三個半徑相同的不帶電的金屬小球先后與A、B兩球接觸后移開，A、B兩球所帶的電荷量大小分別為、，則接觸后A、B兩球的電荷量之比為2∶3；若A、B兩球帶等量的異種電荷，電荷量大小都為Q，則讓第三個半徑相同的不帶電的金屬小球先后與A、B兩球接觸后移開，A、B兩球所帶的電荷量大小分別為、，則接觸后A、B兩球的電荷量之比為2∶1。故選A、C。 3．有兩個完全相同的帶電絕緣金屬小球A、B，分別帶有電量QA＝6.410－9 C，QB＝－3.210－9 C，讓兩絕緣金屬小球接觸，接觸后A、B所帶的電荷量各是多少？在接觸過程中，電子如何轉(zhuǎn)移并轉(zhuǎn)移了多少？ 解析：當兩小球接觸時，帶電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量QA′＝QB′＝＝ C＝1.610－9 C。 在接觸過程中，電子由B球轉(zhuǎn)移到A球，不僅將自身電荷中和，且繼續(xù)轉(zhuǎn)移，使B球帶QB′的正電，這樣，共轉(zhuǎn)移的電子電量為ΔQ＝－QB＋QB′＝3.210－9 C＋1.610－9 C＝4.810－9 C。 故轉(zhuǎn)移的電子數(shù)n＝＝＝3.01010(個)。 答案：均為1.610－9 C　電子由B球轉(zhuǎn)移到了A球，共轉(zhuǎn)移了3.01010個 1．關(guān)于摩擦起電、傳導起電、感應起電，下列說法錯誤的是(　　 ) A．這三種方式都產(chǎn)生了電荷 B．這是起電的三種不同方式 C．這三種起電方式的實質(zhì)是一樣的，都是電子在轉(zhuǎn)移 D．這三種方式都符合電荷守恒定律 解析：選A　摩擦起電的實質(zhì)是電子從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，即說明了電荷可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。摩擦起電現(xiàn)象說明機械能可以轉(zhuǎn)化為電能，但并沒有創(chuàng)造電荷，電荷只是發(fā)生轉(zhuǎn)移。感應起電過程電荷在電場力作用下，從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，電荷可以從帶電的物體轉(zhuǎn)移到原來不帶電的物體是傳導起電。這三種方式都沒有產(chǎn)生電荷，A錯誤；摩擦起電、傳導起電、感應起電是起電的三種不同方式，B正確；這三種起電方式的實質(zhì)是一樣的，都是電子的轉(zhuǎn)移，C正確；這三種方式都符合電荷守恒定律，D正確。 2．[多選]關(guān)于元電荷的理解，下列說法正確的是(　　 ) A．元電荷就是電子 B．元電荷是表示1 C電量 C．元電荷是表示跟電子所帶電荷量數(shù)值相等的電荷量 D．物體所帶的電荷量只能是元電荷的整數(shù)倍 解析：選CD　元電荷是最小帶電荷量，大小為e＝1.6010－19 C，跟電子或質(zhì)子所帶電荷量相等，不是電荷種類，任何帶電體的電荷量都為元電荷的整數(shù)倍，故C、D正確。 3．將一束塑料扎帶一端打結(jié)，另一端撕成細條后，用手迅速捋細條，觀察到細條散開了，如圖所示。下列關(guān)于細條散開現(xiàn)象的分析中，正確的是(　　 ) A．由于摩擦起電，細條帶同種電荷，相互排斥散開 B．撕成細條后，所受重力減小，細條自然松散 C．撕成細條后，由于空氣浮力作用使細條散開 D．細條之間相互感應起電，相互排斥散開 解析：選A　塑料細條與手摩擦帶電，塑料細條上帶的是同種電荷，同種電荷相互排斥，所以塑料細條會向四周散開，捋的次數(shù)越多，塑料細條帶電越多，排斥力越多，下端散開的就越大；故B、C、D錯誤，A正確。 4.如圖所示，某次實驗老師用絲綢摩擦過的玻璃棒(帶正電)去吸引細碎的錫箔屑，發(fā)現(xiàn)錫箔屑被吸引到玻璃棒上后又迅速地向空中散開，下列說法正確的是(　　) A．錫箔屑被吸引過程會因為獲得電子而帶負電 B．錫箔屑被吸引過程有減速過程 C．最后錫箔屑散開主要是因為碰撞導致 D．散開時錫箔屑帶正電 解析：選D　玻璃棒靠近錫箔屑，使錫箔屑發(fā)生感應起電，故A錯誤；錫箔屑被吸引過程是加速過程，故B錯誤；最后錫箔屑散開主要是因為錫箔屑帶正電，同種電荷相互排斥，故C錯誤，D正確。 5．M和N是兩個原來都不帶電的物體，它們互相摩擦后，N帶正電荷。下列判斷正確的是(　　 ) A．在摩擦前M和N的內(nèi)部沒有任何電荷 B．摩擦的過程中電子從N轉(zhuǎn)移到M C．M在摩擦過程中創(chuàng)造了正電荷 D．N在摩擦過程中得到電子 解析：選B　原來不帶電的物體處于電中性，不是沒有任何電荷，而是正負電荷的個數(shù)相等，相互抵消，故A錯誤；摩擦起電中移動的是自由電子，失去電子的物體帶正電，得到電子的物體帶負電，故摩擦起電中N失去電子，轉(zhuǎn)移到了M物體上，故B正確，C、D錯誤。 6．[多選]用金屬箔做成一個不帶電的圓環(huán)，放在干燥的絕緣桌面上。小明同學用絕緣材料做的筆套與頭發(fā)摩擦后，將筆套自上向下慢慢靠近圓環(huán)，當距離約為0.5 cm時圓環(huán)被吸引到筆套上，如圖所示。對上述現(xiàn)象的判斷與分析，下列說法正確的是(　　 ) A．筆套與頭發(fā)的接觸使筆套帶電 B．筆套靠近圓環(huán)時，圓環(huán)上、下部感應出異號電荷 C．圓環(huán)被吸引到筆套的過程中，圓環(huán)所受靜電力的合力大于圓環(huán)的重力 D．筆套碰到圓環(huán)后，筆套所帶的電荷立刻被全部中和 解析：選BC　筆套與頭發(fā)摩擦后，摩擦使筆套帶電，故A錯誤；帶電的筆套靠近圓環(huán)時，圓環(huán)感應出異號電荷，B正確；當距離約為0.5 cm時圓環(huán)被吸引到筆套上，是因為圓環(huán)所受靜電力的合力大于圓環(huán)的重力，產(chǎn)生了加速度，故C正確；筆套碰到圓環(huán)后，筆套所帶的電荷沒有被中和，還帶電，故D錯誤。 7．如圖所示，把一個不帶電且與外界絕緣的導體兩端分別設(shè)計上兩個開關(guān)，當帶正電的小球靠近時，由于靜電感應，在a、b端分別出現(xiàn)正、負電荷，則以下說法中正確的是(　　) A．閉合K1，有電子從導體流向大地 B．閉合K2，有電子從導體流向大地 C．閉合K2，有電子從大地流向?qū)w D．閉合K1，沒有電子通過 解析：選C　K1、K2閉合前，由于靜電感應和電荷守恒定律，a、b出現(xiàn)等量異種電荷，當閉合任何一個開關(guān)以后，整個導體與大地連接，都是電子從大地被吸引過來，故C正確。 8．如圖所示，將帶正電的金屬小球接觸原來不帶電的驗電器A端之后拿走。關(guān)于驗電器的帶電情況正確的是(　　 ) A．A端帶正電，B端帶正電 B．A端帶負電，B端帶負電 C．A端帶負電，B端帶正電 D．A端帶正電，B端帶負電 解析：選A　用帶正電的小球去接觸驗電器的金屬球，驗電器中的電子將被吸附到帶電小球上去，故驗電器帶上正電，A、B兩端電性相同；故A正確。 9．[多選]如圖所示為科技館里一個趣味體驗項目的簡化圖，核心裝置為一個金屬球，在干燥的空氣里，體驗者雙腳站在絕緣凳上，右手按在金屬球上，并遠離周圍其他物體。一條特殊傳送帶(圖中未畫出)給金屬球不斷地輸送電荷，過一段時間后，體驗者的頭發(fā)便會四處散開，甚至倒立，十分有趣，在此狀態(tài)下，下列分析正確的是(　　) A．若用左手也去摸金屬球，會被電擊 B．若用左手與旁邊的觀眾握手，會被電擊 C．若右手離開金屬球，則頭發(fā)會立刻恢復常態(tài) D．若右手離開金屬球而且走下絕緣凳，頭發(fā)會立刻恢復常態(tài) 解析：選BD　若用左手也去摸金屬球，不會有電流產(chǎn)生，不會被電擊，選項A錯誤；若用左手與旁邊的觀眾握手，會發(fā)生放電現(xiàn)象而被電擊，選項B正確；若右手離開金屬球，電荷不會轉(zhuǎn)移，則頭發(fā)仍然四處散開，選項C錯誤；若右手離開金屬球而且走下絕緣凳，則電荷將進入大地，人體將不再帶電，頭發(fā)會立刻恢復常態(tài)，選項D正確。 10.如圖所示，左邊是一個原先不帶電的導體，右邊C是后來靠近導體的帶正電金屬球，若用絕緣工具沿圖示某條虛線將導體切開，分導體為A、B兩部分，這兩部分所帶電荷量的數(shù)值分別為QA、QB，則下列結(jié)論正確的有(　　) A．沿虛線d切開，A帶負電，B帶正電，且QB＞QA B．只有沿虛線b切開，才有A帶正電，B帶負電，且QB＝QA C．沿虛線a切開，A帶正電，B帶負電，且QB＞QA D．沿任意一條虛線切開，都有A帶正電，B帶負電，而QA、QB的值與所切的位置有關(guān) 解析：選D　靜電感應使得A帶正電，B帶負電。導體原來不帶電，只是在C的電荷的作用下，導體中的自由電子向B部分移動，A部分轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目和B部分多余的電子的數(shù)目是相同的，因此無論從哪一條虛線切開，兩部分的電荷量總是相等的。由于電荷之間的作用力與距離有關(guān)，自由電子在不同位置所受C的作用力的強弱是不同的，這樣導致電子在導體上的分布不均勻，越靠近右端負電荷密度越大，越靠近左端正電荷密度越大，所以從不同位置切開，QA、QB的值是變化的，故只有D正確。 11．有三個相同的絕緣金屬小球A、B、C，其中A小球帶有310－3 C的正電荷，B小球帶有210－3 C的負電荷，小球C不帶電。先讓小球C與小球A接觸后分開，再讓小球B與小球A接觸后分開，最后讓小球B與小球C接觸后分開，試求這時三個小球的帶電荷量分別為多少？ 解析：總電荷量是守恒的，小球接觸后平分電荷量；C、A接觸后，A、C都帶 C＝1.510－3 C的正電荷量，讓小球B與小球A接觸后分開，A、B都帶 C＝－2.510－4 C的負電荷量，最后讓小球B與小球C接觸后，B、C都帶 C＝6.2510－4 C的正電荷量。故最終三小球的帶電荷量分別為 qA＝－2.510－4 C，qB＝6.2510－4 C， qC＝6.2510－4 C。 答案：qA＝－2.510－4 C　qB＝6.2510－4 C qC＝6.2510－4 C 12．有兩個完全相同的絕緣金屬球A、B，A球所帶電荷量為q，B球所帶電荷量為－q，現(xiàn)要使A、B球所帶電荷量都為－，應該怎樣實現(xiàn)？ 解析：法一：用手碰A球，A球失去電荷，將A、B球接觸，A、B兩球都帶上－的電荷量，再用手碰A球，A球又失去電荷，再把A、B球接觸，則A、B球都帶上－的電荷量。 法二：用一個與A、B完全相同的不帶電的金屬球與A接觸，A球帶電量變?yōu)?，再把A、B球接觸，A、B球帶電量都變?yōu)椋? 答案：見解析