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2020-2021学年高中物理 第九章 静电场及其应用 第1节 电荷学案 新人教版必修3

2020-2021学年高中物理 第九章 静电场及其应用 第1节 电荷学案 新人教版必修3

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姓名：

- 9 -

电荷
【学习目标】
1．知道自然界的电荷只有两种，且电荷间存在着相互作用。
2．了解摩擦起电和感应起电两种使物体带电的方式，学会从物质微观结构的角度认识物体带电的原因。
3．理解电荷守恒定律，会解释生活中的静电现象。
4．知道电荷量、元电荷、比荷的概念，知道电荷量是不能连续变化的物理量。
【思维脉络】

课前预习反馈
教材梳理·落实新知

知识点 1 电荷
1．两种电荷
自然界中只存在两种电荷，即__正__电荷和__负__电荷。
2．电荷量：电荷的__多少__，用Q表示，有时也可用q来表示。在国际单位制中，单位是__库仑__，简称__库__，符号是　C　。
3．原子的组成
①原子是由带正电的__质子__、不带电的中子以及带负电的__电子__组成的。
②每个原子中质子的正电荷数量与电子的负电荷数量__一样多__，整个原子对外界表现为__中性__。
4．摩擦起电的原因：当两种物质组成的物体相互摩擦时，一些受束缚较弱的__电子__会转移到另一个物体上，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__。
5．自由电子：金属中原子的外层电子脱离__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。
6．离子：失去自由电子的__原子__便成为带正电的离子。

知识点 2 静电感应
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，这种现象叫作静电感应。
2．感应起电：利用__静电感应__使金属导体带电的过程。

知识点 3 电荷守恒定律
表述一：电荷既不会__创生__，也不会__消灭__，它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__。
表述二：一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 4 元电荷
1．定义：最小的__电荷量__，用e表示。
2．带电体的电荷量特征：所有带电体的电荷量都是e的__整数__倍，是__不能__连续变化的物理量。
3．元电荷e的数值：最早是由美国物理学家密立根测得的，e＝1.602 176 634×10－19C，计算中可取e＝__1.60×10－19__C。
4．电子的比荷
电子的电荷量与电子的__质量__之比。＝__1.76×1011__C/kg。

预习自测　　
『判一判』
(1)两个正电荷之间的作用力为斥力，两个负电荷之间的作用力为引力。(　×　)
(2)摩擦起电是创造电荷的过程。(　×　)
(3)玻璃棒和其他物体摩擦后不一定带正电。(　√　)
(4)当一个带电体靠近导体时，产生静电感应现象，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。(　√　)
(5)电荷守恒定律和能量守恒定律一样，也是自然界中最基本的守恒定律。(　√　)
(6)元电荷就是最小的电荷。(　×　)
『选一选』
(2020·北京人大附中朝阳学校高一下学期段考)在气候干燥的秋冬季节，人们常常会碰到这些现象：晚上脱衣时，常会听到噼啪的声响；早上起来梳头时，头发常会“飘”起来。这就是发生在我们日常生活中的静电现象。有一次，小明的手指靠近金属门把手时，突然有一种被电击的感觉。这是因为运动摩擦使身体带电，当手指靠近门把手时，二者之间形成的放电现象。若放电前，小明的手指带负电。有关金属门把手的两端被感应带电的情况，下列图中标示正确的是(　A　)

解析：人的手指带负电，则由于静电感应，门把手中离手指较近的一端感应出正电，离手指较远的一端感应出负电，则图A正确。
『想一想』
在干燥的天气里，用梳子梳头发的时候，头发会不听指挥，顺着梳子飞起来(如图)，这时如果将梳子浸入水中片刻再梳，头发就服帖了。试解释这一现象。

解析：梳头发时由于摩擦起电，梳子和头发上产生异种电荷，又由于异种电荷相互吸引，使得头发顺着梳子飞了起来。梳子浸入水中后再梳，潮湿的梳子能将头发上的静电导走，也就不再出现上面的现象。

课内互动探究
细研深究·破疑解难　
探究
理想化模型与质点
┃┃情境导入__■
如图所示，在干燥的环境中，用丝绸摩擦过的玻璃棒，慢慢靠近细碎的锡箔屑，会观察到什么现象？请解释所看到的现象。

提示：观察到的现象是锡箔屑被吸引到玻璃棒上后又迅速向空中散开。出现这种现象的原因是：带电物体能够吸引轻小物体，锡箔屑与玻璃棒接触后带上与玻璃棒相同性质的电荷，同种电荷相互排斥，锡箔屑散开。
┃┃要点提炼__■
1．物体带电
物体有了吸引轻小物体的性质，我们就说它带了电，或有了电荷。
2．三种起电方式的比较
方式
内容
摩擦起电
感应起电
接触起电
产生及条件
两不同绝缘体摩擦时
导体靠近带电体时
导体与带电导体接触时
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，且电性与原带电体“近异远同”
导体上带上与带电体相同电性的电荷
原因
不同物质的原子核对核外电子的束缚力不同而发生电子得失
导体中的自由电子受带正(负)电物体吸引(排斥)而靠近(远离)
自由电荷在带电体与导体之间发生转移
实质
均为电荷在物体之间或物体内部的转移
特别提醒
(1)感应起电成功的关键在于先分开两物体(或先断开接地线)然后再移去带电体。
(2)摩擦起电中对原子核外电子束缚能力差的物体失去电子而带正电，对原子核外电子束缚能力强的物体得到电子而带负电。
┃┃典例剖析__■
典例1 如图所示，均不带电的橡胶棒与毛皮摩擦后，橡胶棒带负电，毛皮带正电，这是因为(　C　)

A．空气中的正电荷转移到了毛皮上
B．空气中的负电荷转移到了橡胶棒上
C．毛皮上的电子转移到了橡胶棒上
D．橡胶棒上的电子转移到了毛皮上
思路引导：解答本题时，可按以下思路分析：
→→
解析：摩擦起电是因为电子由一个物体转移到另一个物体上，失去电子的物体因缺少电子而带正电，得到电子的物体带负电。毛皮与橡胶棒摩擦，毛皮上的电子转移到了橡胶棒上，毛皮带正电，橡胶棒带负电，故选项C正确。
┃┃对点训练__■
1．如图是伏打起电盘示意图，其起电原理是(　B　)

A．摩擦起电　　　　　 B．感应起电
C．接触起电　　　 D．以上三种方式都不是
解析：导电平板靠近带电绝缘板并接地时，发生静电感应，使导电平板带上负电荷，故选项B正确。
探究
电荷守恒定律　元电荷
┃┃情境导入__■
某同学两手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！电荷到哪里去了呢？是否违背了电荷守恒定律？

提示：电荷“中和”了，不违背电荷守恒定律。
┃┃要点提炼__■
1．物体带电的实质
使物体带电不是创造了电荷，使物体不带电也不是消灭了电荷。物体带电的实质是电荷发生了转移，也就是物体间电荷的重新分配。
2．守恒的广泛性
电荷守恒定律同能量守恒定律一样，是自然界中最基本的规律，任何电现象都不违背电荷守恒定律。
物体的起电过程，其本质都是电子发生了转移，也就是说物体所带电荷的重新分配。不论哪一种起电过程都没有创造电荷，也没有消灭电荷。
3．“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。
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。
┃┃典例剖析__■
典例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Q1＝6.4×10－9 C，Q2＝－3.2×10－9 C，让两绝缘金属小球接触。在接触后，A、B带电量各是多少？此接触过程中，电子如何转移，转移了多少个电子？
思路引导：(1)金属球中发生定向转移的是自由电子，两球接触时，自由电子由B向A转移。
(2)由于两金属完全相同，两球接触后带电量相等、电性相同，电荷再分配时符合电荷均分原理。
解析：当两小球接触时，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相等，
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，共转移的电子电荷量为
ΔQ＝－Q2＋QB′＝(3.2×10－9＋1.6×10－9) C
＝4.8×10－9 C，
转移的电子数n＝＝个＝3.0×1010个。
答案：均为1.6×10－9 C；电子由B球转移到A球，转移了3.0×1010个
┃┃对点训练__■
2．(多选)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(　CD　)

A．小球上原有的负电荷逐渐消失了
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．该现象是由于电子的转移引起的，仍然遵循电荷守恒定律
解析：带负电的验电器在潮湿的空气中，经过一段时间后，小球上的负电荷(电子)被潮湿的空气导走了，但电荷在转移的过程中仍然守恒，故C、D正确。

核心素养提升
以题说法·启智培优　
验电器的两种应用方式及原理
1．带电体接触验电器：当带电的物体与验电器上面的金属球接触时，有一部分电荷转移到验电器上，与金属球相连的两个金属箔片带上同种电荷，因相互排斥而张开。如图甲。
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，而金属箔片上会感应出同种电荷(感应起电)，两箔片在斥力作用下张开，如图乙。

案例 (多选)如图所示，有一带正电的验电器，当一个金属球A靠近验电器上的金属小球B时，验电器中金属箔片的张角减小，则 (　AC　)

A．金属球A可能不带电
B．金属球A一定带正电
C．金属球A可能带负电
D．金属球A一定带负电
解析：验电器的金属箔片之所以张开，是因为它们都带有正电荷，而同种电荷相互排斥，张开角度的大小决定于两金属箔片带电荷量的多少。如果A球带负电，靠近验电器的B球时，异种电荷相互吸引，使金属箔片上的正电荷逐渐“上移”，从而使两金属箔片张角减小，选项C正确，B错误；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球的一面出现负的感应电荷；而背向B球的一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，从而使金属箔片张角减小，选项A正确，D错误。