物理人教版高中必修三（2019年新編）9-1 電荷（教案）

9.1電荷學習目標1．知道自然界中只有兩種電荷，知道電荷間的相互作用規(guī)律。2．知道元電荷的概念，認識各種起電方法及實質(zhì)。3．理解電荷守恒定律的內(nèi)容。重點：電荷守恒定律。難點：利用電荷守恒定律分析解決相關(guān)問題摩擦起電和感應起電的相關(guān)問題。知識點一、電荷及相互作用1．兩種電荷：自然界中只存在兩種電荷，即正電荷和負電荷。（1）正電荷：用絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷叫做正電荷。（2）負電荷：用毛皮摩擦過的橡膠棒所帶的電荷叫做負電荷。2．相互作用：同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。3．物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)（1）原子組成：原子由帶正電的原子核和帶負電的電子組成，電子繞原子核高速旋轉(zhuǎn)。原子核正電荷的數(shù)量跟核外電子負電荷的數(shù)量相等，所以整個原子對外界較遠位置表現(xiàn)為電中性。（2）原子電性：原子核的正電荷的數(shù)量與核外電子負電荷的數(shù)量相等，整個原子對外界較遠的位置表現(xiàn)為電中性。（3）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。4．物體帶電：物體有了吸引輕小物體的性質(zhì)，我們就說它帶了電，或有了電荷。當物體內(nèi)的正電荷數(shù)量多于負電荷數(shù)量時，物體帶正電，反之，帶負電。正電荷數(shù)量與負電荷數(shù)量相等時，物體不帶電?！绢}1】絕緣細線上端固定，下端掛一輕質(zhì)小球a，a的表面鍍有鋁膜；在a旁有一絕緣金屬球b，開始時，a、b都不帶電，如圖所示，現(xiàn)使b帶電，則A．b將吸引a，吸住后不放開B．b先吸引a，接觸后又把a排斥開【答案】B【解析】b球帶電后，使a產(chǎn)生靜電感應，感應的結(jié)果是a靠近b的一側(cè)出現(xiàn)與b異種的感應電荷，遠離b的一側(cè)出現(xiàn)與b同種的感應電荷。雖然a上的感應電荷等量異號，但因為異種電荷離b更近，所以b對a的靜電力表現(xiàn)為引力。當b吸引a使兩者接觸后，由于接觸帶電，b、a便帶同種電荷，有斥力作用，因而又把a排斥開，所以B正確。C．a(chǎn)、b之間不發(fā)生相互作用D．b立即把a排斥開知識點二、三種起電方式1．接觸起電：（1）指一個帶電的金屬導體跟另一個不帶電的金屬導體接觸后分開，而使不帶電的導體帶上電荷的方式，如圖。（2）本質(zhì)：接觸起電的本質(zhì)是電荷的轉(zhuǎn)移。2．摩擦起電：（1）兩個物體相互摩擦時，一些束縛不緊的電子從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體上，使得原來呈電中性的物體由于得到電子而帶負電，失去電子的物體帶正電。如玻璃棒與絲綢摩擦時，玻璃棒容易失去電子而帶正電；硬橡膠棒與毛皮摩擦時，硬橡膠棒容易得到電子而帶負電。如圖。（2）摩擦起電的本質(zhì)：摩擦起電時，電荷并沒有憑空產(chǎn)生，其本質(zhì)是發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移，所以兩個相互摩擦的物體一定是同時帶上性質(zhì)不同的電荷，且電荷量相等.3．感應起電（1）自由電子：金屬中離原子核較遠的能脫離原子核的束縛而在金屬中自由活動的電子。（2）靜電感應：當一個帶電體靠近導體時，由于電荷間相互吸引或排斥，導體中的自由電荷便會趨向或遠離帶電體，使導體靠近帶電體的一端帶異種電荷，遠離帶電體的一端帶同種電荷的現(xiàn)象。（3）感應起電：利用靜電感應使金屬導體帶電的過程，如圖。（4）感應起電的操作步驟：①如圖所示，使帶電體C（如帶正電）靠近相互接觸的兩導體A、B。②保持C不動，用絕緣工具分開A、B。③如圖所示，移走C，則A帶負電，B帶正電。若先移走C，再分開A、B，則A、B原來在C的作用下感應出的異種電荷會立即中和，A、B分開后不帶電。（5）感應起電的判斷方法①當一個帶電體靠近導體時，產(chǎn)生靜電感應現(xiàn)象，導體靠近帶電體的一端帶異種電荷，遠離帶電體的一端帶同種電荷。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物體，帶異種電荷，地球就成為遠端導體，帶同種電荷。【題2】如果天氣干燥，晚上脫毛衣時，會聽到“噼啪”的響聲，還會看到電火花，關(guān)于這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，下列說法正確的是A．人身體上產(chǎn)生電流B．接觸帶電造成的C．摩擦起電造成的D．感應起電造成的【答案】C【解析】脫毛衣時由于摩擦起電，衣服間產(chǎn)生異種電荷，當電荷積累到一定程度時，會產(chǎn)生電火花，并伴有“噼啪”聲，選項C正確，A、B、D錯誤。4．三種起電方式比較摩擦起電感應起電接觸起電條件兩不同絕緣體摩擦時導體靠近帶電體時導體與帶電導體接觸現(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”導體上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)舉例摩擦后的毛皮與橡膠棒分別帶正電和負電放于電場中的導體兩端帶有等量異種電荷驗電器的工作原理實質(zhì)均為電荷在物體之間或物體內(nèi)部的轉(zhuǎn)移【特別提醒】（1）感應起電成功的關(guān)鍵在于先分開兩物體（或先斷開接地線）然后再移去帶電體。（2）摩擦起電中對原子核外電子束縛能力差的物體失去電子而帶正電，對原子核外電子束縛能力強的物體得到電子而帶負電。5．驗證物體是否帶電的兩種方法（1）將物體靠近輕小物體（例如紙片、頭發(fā)），若能吸引輕小物體則帶電，否則不帶電。（2）將待檢驗物體靠近或接觸驗電器的金屬球，若金屬箔片張開則帶電，否則不帶電?！绢}3】如圖所示，A、B為相互接觸的用絕緣支架支持的金屬導體，起初它們不帶電，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．先把C移走，再把A、B分開，A、B上的金屬箔片仍張開D．先把A、B分開，再把C移走，然后重新讓A、B接觸，A上的金屬箔片張開，而B上的金屬箔片閉合【答案】AB【解析】（1）C移近A時，帶正電的小球C對A、B內(nèi)的電荷有力的作用，使A、B中的自由電子向左移動，使得A端積累了負電荷，B端積累了正電荷，其下部的金屬箔片也分別帶上了與A、B同種性質(zhì)的電荷。由于同種電荷間的斥力，所以金屬箔片都張開，A正確。（2）C靠近后保持不動，把A、B分開，A、B上的電荷因受C的作用力不可能中和，因而A、B仍帶等量的異種感應電荷，此時即使再移走C，因A、B已經(jīng)絕緣，所帶電荷量也不會變，金屬箔片仍張開，B正確。（3）先移走C，再把A、B分開，A、B上的感應電荷會馬上在其相互之間的引力作用下吸引中和，不再帶電，所以箔片都不會張開，C錯。（4）先把A、B分開，移走C，然后重新讓A、B接觸，A、B所帶的異種電荷馬上中和，箔片都不會張開，D錯?！绢}4】如圖所示，放在絕緣支架上帶正電的導體球A，靠近放在絕緣支架上不帶電的導體B，導體B用導線經(jīng)開關(guān)S接地，現(xiàn)把S先合上再斷開，再移走A，則導體BA．不帶電B．帶正電C．帶負電 D．不能確定【答案】C【解析】易錯分析：對于絕緣柱支持的導體B，由于靜電感應，其左端帶負電，右端帶正電。左端接地，左端電荷被導走，導體B帶正電，故選B。在感應起電的過程中，遠端帶同種電荷，近端帶異種電荷。將B的左端接地后，B和地球組成了一個大導體，地球是導體的遠端，故B成了近端，帶負電?！绢}5】用棉布分別與丙烯塑料板和乙烯塑料板摩擦實驗結(jié)果如圖所示，由此對摩擦起電說法正確的是A．兩個物體摩擦時，表面粗糙的易失去電子B．兩個物體摩擦起電時，一定同時帶上種類及數(shù)量不同的電荷C．兩個物體摩擦起電時，帶上電荷的種類不同但數(shù)量相等D．同一物體與不同種類物體摩擦，該物體的帶電荷種類可能不同【答案】CD【解析】兩物體摩擦時得失電子取決于原子對電子的束縛力大小，A錯。由于摩擦起電的實質(zhì)是電子的得失，所以兩物體帶電種類一定不同，數(shù)量相等，B錯C對。由題中例子不難看出同一物體與不同種類物體摩擦，帶電種類可能不同，D對。知識點三、電荷守恒定律1．兩種表述表述一：電荷既不會創(chuàng)生，也不會消失，它只能從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。在轉(zhuǎn)移的過程中，電荷的總量保持不變。表述二：一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)，電荷的代數(shù)和不變。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。起電過程的本質(zhì)都是電子發(fā)生了轉(zhuǎn)移，也就是說物體所帶電荷的重新分配。不論哪一種起電過程都沒有創(chuàng)造電荷，也沒有消滅電荷。3．對電荷守恒定律的理解（1）電荷守恒定律和能量守恒定律一樣，也是自然界中最基本的守恒定律。（2）兩種典型的摩擦起電現(xiàn)象：一是用絲綢摩擦玻璃棒，玻璃棒帶正電；二是用毛皮摩擦橡膠棒，橡膠棒帶負電。玻璃棒和橡膠棒上帶的電都不是憑空產(chǎn)生的，而是通過摩擦使物體之間發(fā)生了電子得失的現(xiàn)象，符合電荷守恒定律，可以推斷：與玻璃棒摩擦過的絲綢要帶負電，與橡膠棒摩擦過的毛皮要帶正電。（3）帶等量異種電荷的兩金屬球相接觸，發(fā)生電荷中和，兩球都不再帶電，這個過程中兩球所帶電荷的總量并沒有變（為零），電荷也是守恒的。（4）電荷守恒定律的廣泛性：任何電現(xiàn)象都不違背電荷守恒定律，涵蓋了包括近代物理實驗發(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、負電子可同時湮沒、轉(zhuǎn)化為光子。在這種情況下，帶電粒子總是成對產(chǎn)生或湮沒，電荷的代數(shù)和不變。4．“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。5．接觸起電現(xiàn)象中電荷量的分配（1）導體接觸帶電時電荷量的分配與導體的形狀、大小有關(guān)。完全相同的金屬球接觸時，電荷量平均分配；形狀、大小不同的導體接觸時電荷量不能平均分配。無論哪種情況，接觸前后電荷總量不變。（2）完全相同的帶電金屬球接觸時電荷量的分配情況：若兩個完全相同的金屬小球的帶電量分別為Q1、Q2，則它們接觸后再分開都帶有eq\f(Q1＋Q2,2)的電量，式中電量Q1、Q2均包含它們的正負號?！绢}6】對物體帶電現(xiàn)象的敘述，正確的是A．不帶電的物體一定沒有電荷B．帶電物體一定具有多余的電子C．一根帶電的導體棒放在潮濕的房間，過了一段時間后，發(fā)現(xiàn)導體棒不帶電了，這過程中電荷不守恒D．摩擦起電實際上是電荷從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體【答案】D【解析】不帶電的物體內(nèi)部正電荷的電量和負電荷的電量相等，體現(xiàn)出電中性，故A錯誤；物體帶電可能有多余的正電荷，也有可能有多余的負電荷，故B錯誤；導體棒上面的電荷通過潮濕的空氣發(fā)生了轉(zhuǎn)移，電荷仍然守恒，故C錯誤；物體帶電的本質(zhì)都是電荷的轉(zhuǎn)移，故D正確。知識點四、元電荷1．電荷量：電荷的多少叫電荷量，簡稱電量。其國際單位為庫侖，符號是C。2．元電荷：科學實驗發(fā)現(xiàn)的最小電荷量，就是電子所帶的電荷量，這個最小的電荷量叫元電荷，用e表示，這是電荷的最小單位。3．元電荷的數(shù)值：e＝1.60×10－19C。其它帶電體所帶電荷量一定是元電荷的整數(shù)倍。即物體帶的電荷量是不能連續(xù)變化的物理量，只能是元電荷的整數(shù)倍。元電荷的數(shù)值最早是由美國科學家密立根用實驗測得的。4．比荷：電子的電荷量e和電子的質(zhì)量me之比叫電子的比荷。電子的比荷也是一個常用的物理量，電子的比荷為eq\f(e,me)＝eq\f(1.60×10－19,0.91×10－30)C/kg＝1.76×1011C/kg?！绢}7】有兩個完全相同的帶電絕緣金屬小球A、B，分別帶有電荷量Q1＝6.4×10－9C，Q2＝－3.2×10－9C，讓兩絕緣金屬小球接觸。在接觸后，A、B帶電量各是多少？此接觸過程中，電子如何轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移了多少個電子？【答案】1.6×10－9C、1.6×10－9C、3.0×1010個【解析】當兩小球接觸時，帶電荷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荷量相等，QA′＝QB′＝eq\f(Q1＋Q2,2)＝eq\f(6.4×10－9－3.2×10－9,2)C＝1.6×10－9C。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′的正電荷，這樣，共轉(zhuǎn)移的電子電荷量為ΔQ＝－Q2＋QB′＝（3.2×10－9＋1.6×10－9）C＝4.8×10－9C，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)n＝eq\f(ΔQ,e)＝eq\f(4.8×10－9,1.6×10－19)個＝3.0×1010個?！绢}8】A、B兩物體均不帶電，相互摩擦后A帶負電荷，電荷量大小為Q，則B的帶電情況是A．帶正電荷，電荷量大于QB．帶正電荷，電荷量等于QC．帶負電荷，電荷量大于QD．帶負電荷，電荷量等于Q【答案】【解析】根據(jù)電荷守恒定律可知，AB相互摩擦后，A得到電子的能力大于B，物體帶負電荷，物體B帶正電荷，電荷量等于Q，故B選項正確。【題9】如圖所示為科技館里一個趣味體驗項目的照片和簡化圖，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，手（圖中為右手）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