2021年高中物理人教版选修3-1导学案：第一章第1节电荷及其守恒定律-.docx

第一节　电荷及其守恒定律

1.通过摩擦起电和感应起电的试验过程，了解使物体带电的方法，能从物质微观结构的角度生疏物体带电的本质．
2．理解电荷守恒定律．
3．知道什么是元电荷，知道电荷量的概念及其单位，知道比荷的概念．

一、电荷的种类及物质的电结构
1．电荷的电性及电荷间作用
(1)电性：自然界只存在两种电荷：正电荷和负电荷．
规定
(2)电荷间的作用．
同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引．
2．原子的组成
原子由原子核和核外电子组成，原子核由带正电的质子和不带电的中子组成，核外的电子带负电．通常原子内正、负电荷的数量相同，故整个原子对外表现为电中性．
3．自由电子和离子
金属中离原子核最远的电子，往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由活动，这种能自由活动的电子叫做自由电子，失去这种电子的原子便成了带正电的离子．

二、三种起电方式
1．摩擦起电：两个物体相互摩擦时，一些束缚得不紧的电子往往从一个物体转移到另一个物体，于是原来呈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：不带电的物体与带电的物体接触后会带上电荷，这种使物体带电的方式叫做接触起电，两个完全相同的物体接触后，会使电荷量平分．

三、电荷守恒定律及元电荷
1．电荷守恒定律的两种表述方式
(1)电荷既不会创生，也不会毁灭，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．
(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．
2．元电荷
(1)电荷量：电荷的多少叫电荷量，常用符号Q或q表示，其国际单位是库仑(C)．
(2)元电荷：科学家发觉质子和电子所带的电荷量最小，且其他物体所带电荷量是该电荷量的整数倍，这个最小的电荷量叫元电荷．用e表示，e＝1.6×10－19C.
(3)比荷：电子的电荷量e跟电子的质量me之比，叫做电子的比荷，其值为e/me＝1.76×1011 C/kg.

　　　　　　　电荷间的相互作用规律及其应用

1．电荷间有相互作用力，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引．两电荷间的相互作用力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上．
2．检验物体是否带电的方法：(1)用待测物体去接近轻小物体，看它是否能吸引轻小物体；(2)让待测物体接触验电器上的金属球，依据金属箔片是否张开来推断待测物体是否带电．
特殊提示：发生相互作用时未必都带电，要留意带电体不管带电正负，都有吸引轻小物体的性质．无论轻小物体是导体还是绝缘体，带电体对其中的自由电子都有吸引力或排斥力．
下列推断小球是否带电的说法中正确的是(　　)
A．用一个带电体靠近它，假如能够吸引小球，则小球确定带电
B．用一个带电体靠近它，假如能够排斥小球，则小球确定带电
C．用验电器的金属球接触它后，假如验电器的金属箔能转变角度，则小球确定带电
D．假如小球能吸引小纸屑，则小球确定带电
[思路探究]　两物体相互吸引，是否得出物体带异种电荷？
[解析]　用一个带电体靠近它，假如能够吸引小球，小球可能带异种电荷，也可能不带电；假如能够排斥小球，则小球确定带同种电荷．用验电器的金属球接触它时，还需知道验电器金属球的带电状况才能予以推断．带电小球能吸引轻小物体是带电体的性质．故选BD.
[答案]　BD
规律总结
两物体相互吸引，不愿定都带电，但两物体相互排斥，确定带同种电荷．

1.如图所示，a、b、c、d为四个带电小球，两球之间的作用分别为a吸d、c斥a、b斥c、d吸b，则(　　)
A．仅有两个小球带同种电荷
B．仅有三个小球带同种电荷
C．c、d小球带同种电荷
D．c、d小球带异种电荷
解析：选BD.由d吸a、d吸b可知，a与b带同种电荷，且与d带异种电荷；由c斥a、c斥b可知，c与a、b带同种电荷，所以c与d带异种电荷，A、C错误，B、D正确．故选BD.

　　　　　　　三种起电方式

1．感应起电的操作方法
(1)操作方法Ⅰ
①使带电体C(假设带正电)靠近相互接触的两导体A、B，A为近端，如图所示．
②保持C不动，用绝缘工具分开A、B.
③移走C，则A带负电，B带正电．

(2)操作方法Ⅱ(如图所示)
①将一个带电体A靠近导体球B.
②用手接触一下导体球B(相当于将B球接地)，再将手拿开．
③移去带电体A，则这时B带上了和带电体A异号的电荷．
2．三种起电方式的比较

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
导体与带电导体接触时
现象
两物体带上等量异种电荷
导体两端毁灭等量异种电荷，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
缘由
原子核对电子束缚力弱的物体失去电子，强的得到电子
导体中的自由电子在电荷间力的作用下，从物体的一端转移到另一端
在电荷间力的作用下，自由电子从一物体转移到另一物体
实质
均为电子在物体之间或物体内部的转移
特殊提示：(1)在起电过程中转移的是自由电子，正电荷不能定向移动．
(2)摩擦起电发生在两个不同的绝缘体之间，感应起电只适用于导体．
(2022·郑州四中高二检测)如图所示，将用毛皮摩擦过的带负电橡胶棒，移近或接触两个不带电的导体球，开头时两导体球相互接触且对地绝缘，下列说法正确的是(　　)
A．毛皮与橡胶棒摩擦时，橡胶棒上的正电荷转移到毛皮
B．橡胶棒移近甲球，甲球带正电，乙球带负电，移走橡胶棒，两球都不再带电
C．橡胶棒移近甲球，甲球带正电，乙球带负电，分开两球再移开橡胶棒，甲球带正电，乙球带负电
D．橡胶棒与甲球接触一下移开，再分开两球，甲球带负电，乙球带正电
[思路探究]　①利用静电感应使金属导体带电的过程是什么？②金属导体的远端、近端各带什么电？
[解析]　橡胶棒与毛皮摩擦时，是毛皮上的电子转移到橡胶棒，而使橡胶棒带负电，A错误；橡胶棒靠近甲球时，发生感应起电，甲球带正电，乙球带负电，移走棒后，两球上的电荷中和，都不带电，若先移开两球再移走棒，两球上的电荷不能中和，甲、乙两球仍带电，故B、C正确．橡胶棒与甲球接触，是接触起电，两球都带上负电荷，分开两球，仍都带负电，D错误．故选BC.
[答案]　BC
规律总结
对每一种起电方法要理解起电过程，如感应起电是由于外来电荷(电场)的作用使某导体内电荷重新分布，接触起电是由于电荷间作用使两导体间电荷发生转移．

2．例题2中，若先把甲球接地后断开，再移走橡胶棒，甲、乙两球带电状况如何？
解析：若先把甲球接地，则远端变为大地，乙球作为近端带上正电，再断开与地连接再移走橡胶棒，则甲、乙两球都带上正电荷．
答案：均带正电

　　　　　　　对电荷守恒定律的理解

1．摩擦起电与感应起电及接触起电，均符合电荷守恒定律．
2．物体带电的实质
使物体带电不是制造了电荷，使物体不带电也不是毁灭了电荷．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支配．
3．接触起电现象中电荷量的支配
(1)无论是带电的导体与不带电的导体接触，还是两个原来带同种电荷的导体接触，还是两个原来带异种电荷的导体接触，最终两导体都将带上同种电荷或都不带电，不行能带上异种电荷．并且接触前后电荷总量不变．
(2)导体接触带电时电荷量的支配与导体的外形、大小有关．若两个完全相同的金属小球的带电量分别为Q1、Q2，则它们接触后电荷量平均支配，再分开都带有的电量(式中电量Q1、Q2均包含它们的正负号)．外形、大小不同的导体接触时电荷量不能平均支配．
特殊提示：中和现象是正、负电荷的结合过程，正、负电荷并没有消逝；正、负电子湮灭时，正、负电荷消逝．
半径相同的两金属小球A、B带有相同的电荷量，相隔确定的距离，今让第三个半径相同的不带电金属小球C，先后与A、B接触后移开．
(1)若A、B两球带同种电荷，接触后两球的电荷量大小之比为多大？
(2)若A、B两球带异种电荷，接触后两球的电荷量大小之比为多大？
[思路探究]　(1)不带电小球C与A接触后，A、C电量如何支配？(2)带电小球A、B所带电性是否相同？
[解析]　(1)设A、B带同种电荷为q，则A、C接触后，A、C带电量为qA＝qC＝q.
C与B球接触后，B、C所带电量为
qB＝qC′＝＝q.
故A、B带电荷量大小之比为＝＝.
(2)设qA＝＋q，qB＝－q.
则C与A接触后，A、C带电量为qA＝qC＝＋q.
C与B接触后，B、C带电量为qB＝qC″＝＝－q，
故A、B带电荷量大小之比为＝＝.
[答案]　(1)2∶3　(2)2∶1
借题发挥
(1)相同的金属球带同种电荷时，接触时总电荷量平分．
(2)相同的金属球带异种电荷时，接触时电荷中和后将剩余电荷平分．

3．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，最终，得知甲物体带正电1.6×10－15C，丙物体带电荷量的大小为8×10－16C.则对于最终乙、丙两物体的带电状况下列说法中正确的是(　　)
A．乙物体确定带有负电荷8×10－16C
B．乙物体可能带有负电荷2.4×10－15C
C．丙物体确定带有正电荷8×10－16C
D．丙物体确定带有负电荷8×10－16C
解析：选AD.甲、乙相互摩擦后，甲、乙带等量异种电荷，由于甲物体带正电1.6×10－15C，则乙必带负电1.6×10－15C；乙与丙物体接触后，电荷平分，故乙、丙两物体各带负电荷8×10－16C，故选项AD正确．

易错易混——对元电荷概念理解不清而出错

[范例]　下列关于元电荷的说法中正确的是(　　)
A．元电荷实质上是指电子和质子本身
B．全部带电体的电荷量确定等于元电荷的整数倍
C．元电荷的值通常取e＝1.60×10－19C
D．电荷量e的数值最早是由美国科学家密立根用试验测得的
[错因分析]　本题易错选A，缘由是对元电荷的概念理解不清，将元电荷与电子和质子混淆．
[解析]　本题考查了有关物理学史和对元电荷的理解，试验得出，全部带电体的电荷量或者等于e，或者是e的整数倍，这就是说，电荷是不能连续变化的物理量，电荷量e的数值最早是由美国物理学家密立根测得的，由以上可知答案为B、C、D.
[答案]　BCD
[真知灼见]　元电荷是最小电荷量，通常取e＝1.6×10－19 C，而电子和质子是实物粒子，电子和质子的电荷量为元电荷，全部带电体的电荷量都等于元电荷的整数倍．