【物理】2020届一轮复习人教版电荷及其守恒定律学案

【物理】2020届一轮复习人教版电荷及其守恒定律学案

1 电荷及其守恒定律 [学科素养与目标要求] 物理观念：1.知道自然界中的两种电荷及三种起电方式.2.掌握电荷守恒定律.3.知道电荷量及元电荷的概念. 科学探究：了解验电器的构造、原理，并借助验电器感受摩擦起电、感应起电的过程. 科学思维：通过对原子结构模型的学习使学生明确物体带电的本质，知道三种带电方式的实质是相同的. 一、电荷及起电方式 1.两种电荷 (1)电荷的分类：正电荷和负电荷. 用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，用毛皮摩擦过的硬橡胶棒带负电. (2)电荷间的相互作用：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引. 2.摩擦起电：当两个物体互相摩擦时，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. 3.感应起电：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号电荷，远离带电体的一端带同号电荷，这种现象叫做静电感应. 利用静电感应使金属导体带电的过程叫做感应起电. 二、电荷守恒定律和元电荷 1.电荷守恒定律：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. 2.电荷守恒定律另一表述是：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变. 3.元电荷：最小的电荷量叫做元电荷，用 e 表示.所有带电体的电荷量或者等于 e，或者是 e 的整数倍.元电 荷 e 的数值最早是由美国物理学家密立根测得的，在我们的计算中，可取 e＝1.60×10－19C. 1.判断下列说法的正误. (1)用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，是因为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)某一带电体的电荷量可能等于 5×10－19C.(×) 2.带正电的物体 C 靠近不带电的枕形导体 AB，如图 1 所示，A 端将带________电，B 端将带________电. 图 1 答案 负 正 一、对三种起电方式的理解 (1)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. 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？ (2)带正电的物体 A 与不带电的物体 B 接触，使物体 B 带上了什么电荷？在这个过程中电荷是如何转移的？ 答案 (1)①C 移近导体 A，两侧金属箔片都张开； ②金属箔片仍张开，但张角变小； ③A、B 接触，金属箔片都闭合. (2)正电荷，在这个过程中，有电子从物体 B 转移到物体 A，物体 B 中电子数量减少，因此带正电. 三种起电方式的比较 摩擦起电 感应起电 接触起电 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 导体带上与带电体同 性的电荷 原因 不同物质原子核对电子的 束缚能力不同.束缚能力强 的得电子，带负电；束缚 能力弱的失电子，带正电 电子在电荷间相互 作用下发生转移， 近端带异种电荷， 远端带同种电荷 在电荷间相互作用 下，电子从一个物体 转移到另一个物体上 实质 电荷在物体之间或物体内部的转移 说明 无论哪种起电方式，发生转移的都是电子，正电荷不会发生转移. 例 1 (多选)关于摩擦起电现象，下列说法正确的是( ) A.摩擦起电现象使本来没有电子和质子的物体中产生电子和质子 B.两种不同材料的不带电的绝缘体互相摩擦后，同时带上等量异种电荷 C.摩擦起电，可能是因为摩擦导致质子从一个物体转移到了另一个物体而形成的 D.丝绸摩擦玻璃棒时，电子从玻璃棒上转移到丝绸上，玻璃棒因质子数多于电子数而显正电 答案 BD 解析 摩擦起电实质是由于两个物体的原子核对核外电子的束缚能力不相同，因而电子可以在物体间转移. 若一个不带电的物体失去电子，其质子数就会比电子数多，我们说它带正电；若一个不带电的物体得到电 子，其质子数就会比电子数少，我们说它带负电.使物体带电并不是创造出电荷. 例 2 (多选)如图 2 所示，A、B 为相互接触并用绝缘支柱支持的金属导体，起初都不带电，在它们的下部 贴有金属箔片，C 是带正电的小球，下列说法正确的是( ) 图 2 A.把 C 移近导体 A 时，A、B 上的金属箔片都张开 B.把 C 移近导体 A，先把 A、B 分开，然后移去 C，A、B 上的金属箔片仍张开 C.把 C 移近导体 A，先把 C 移走，再把 A、B 分开，A、B 上的金属箔片仍张开 D.把 C 移近导体 A，先把 A、B 分开，再把 C 移走，最后重新让 A、B 接触，A 上的金属箔片张开，而 B 上 的金属箔片闭合 答案 AB 解析 A、B 开始都不带电，把 C 移近导体 A 时，由于静电感应使 A、B 中的自由电子向左移动，使得 A 端 带负电荷，B 端带正电荷，所以两边的金属箔片都张开，A 正确.先把 A、B 分开，再移走 C，A、B 仍然带 电，但重新让 A、B 接触后，A、B 上的感应电荷完全中和，金属箔片都不会张开，B 正确，D 错误.但如果 先移走 C，A、B 上的感应电荷会马上中和，不再带电，所以金属箔片都不会张开，C 错误. 感应起电的判断方法 1.当带电体靠近导体时，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，如图 3 甲所 示. 2.导体接地时，该导体与地球可视为一个导体，而且该导体可视为近端导体，带异种电荷，地球就成为远 端导体，带同种电荷，如图乙、丙所示. 图 3 说明：用手摸一下导体，再移开手指，相当于先把导体接地，然后再与大地断开. 二、电荷守恒定律 元电荷 (1)在摩擦起电过程中，一个物体带上了正电荷，另一个物体带上了负电荷，该过程是否创造了电荷？在一 个封闭的系统中，电荷的总量会增多或减少吗？ (2)物体所带的电荷量可以是任意的吗？物体所带的电荷量可以是 4×10－19C 吗？ (3)电子和质子就是元电荷吗？ 答案 (1)摩擦起电的过程并没有创造电荷.一个封闭的系统中，电荷的总量保持不变. (2)物体所带的电荷量不是任意的，它只能是 1.60×10－19C 的整数倍.由于 4×10－19C 是 1.60×10－19C 的 2.5 倍，所以物体所带的电荷量不能是 4×10－19C. (3)元电荷是最小的电荷量，不是物质；电子和质子是实实在在的粒子，不是元电荷. 1.使物体带电的实质不是创造了电荷，而是物体所带的电荷发生了转移，起电的过程就是物体间或物体内 部电荷的重新分布. 2.电荷的中和是指带等量异号电荷的两物体接触时，经过电子的转移，物体达到电中性的过程. 3.导体接触带电时电荷量的分配与导体的材料、形状、大小有关，当两个完全相同的金属球接触后，电荷 量将平均分配，即最后两个球带等量的同种电荷或均不带电. 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. (3)电子的比荷：电子的电荷量 e 与电子的质量 me 之比，叫做电子的比荷. 例 3 完全相同的两金属小球 A、B 带有相同大小的电荷量，相隔一定的距离，今让第三个完全相同的不 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？ 答案 (1)2∶3 (2)2∶1 解析 (1)设 A、B 带电荷量均为 q，则 A、C 接触后，A、C 带电荷量为 qA＝qC＝1 2 q. C 与 B 接触后，B、C 所带电荷量为 qB＝qC′＝ q＋1 2 q 2 ＝3 4 q. 故 A、B 带电荷量大小之比为qA qB ＝ 1 2 q 3 4 q ＝2 3. (2)设 A 带正电，B 带负电，且所带电荷量大小均为 Q. 则 C 与 A 接触后，A、C 带电荷量为 qA′＝qC″＝＋1 2 Q. C 与 B 接触后，B、C 带电荷量为 qB′＝qC?＝ 1 2 Q－Q 2 ＝－1 4 Q， 故 A、B 带电荷量大小之比为|qA′ qB′|＝ 1 2 Q 1 4 Q ＝2 1. 例 4 放在绝缘支架上的两个完全相同的金属小球 A、B 分别带有电荷量 QA＝6.4×10－9C、QB＝－3.2×10 －9C，让两个金属小球接触，在接触过程中，电子如何转移？转移了多少个？ 答案 电子由 B 球转移到 A 球 3.0×1010 个 解析 两小球接触时，电荷量少的负电荷先被中和，剩余的正电荷再重新分配，由于两小球完全相同，剩 余正电荷一定平分，即接触后两小球带电荷量 QA′＝QB′＝QA＋QB 2 ＝6.4×10－9－3.2×10－9 2 C＝1.6×10－9C 在接触过程中，电子由 B 球转移到 A 球，自身的净电荷全部中和后，继续转移，使 B 球带 QB′的正电， 这样共转移的电荷量为 ΔQ＝QB′－QB＝1.6×10－9C－(－3.2×10－9C) ＝4.8×10－9C 则转移的电子数 n＝ΔQ e ＝ 4.8×10－9 1.6×10－19(个)＝3.0×1010(个). [学科素养] 通过例 3、例 4 的学习，使学生进一步掌握电荷守恒定律及其相关应用，知道两个完全相同的 金属球接触后将平分电荷，较好地体现了“物理观念”和“科学思维”的学科素养. 三、验电器的原理和使用 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 4 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. 图 4 例 5 如图 5 所示，用起电机使金属球 A 带负电，靠近验电器 B 的金属球，则( ) 图 5 A.验电器的金属箔片不张开，因为球 A 没有和 B 接触 B.验电器的金属箔片张开，因为整个验电器都带上了正电 C.验电器的金属箔片张开，因为整个验电器都带上了负电 D.验电器的金属箔片张开，因为验电器下部的两金属箔片都带上了负电 答案 D 解析 带负电的球 A 靠近验电器 B 的金属球，根据电荷“同性斥，异性吸”的特点知，验电器金属球上的 电子会被球 A 上的负电荷排斥到验电器下端箔片上，则金属杆下端的两箔片就会因带负电荷而相斥，箔片 张开，故选 D. 1.(对三种起电方式的理解)(多选)下列说法中正确的是( ) A.静电感应不是创造电荷，只是电荷从物体的一部分转移到另一部分 B.摩擦起电时，一个电中性物体失去一些电子而带正电，另一个电中性物体得到这些电子而带负电 C.摩擦起电和感应起电都能使电子转移，只不过前者使电子从一个物体转移到另一个物体上，而后者则使 电子从物体的一部分转移到另一部分 D.一个带电体接触一个不带电的物体，两个物体可能带上异种电荷 答案 ABC 2.(感应起电)(多选)(2018·济宁市高二月考)如图 6 所示，把置于绝缘支架上的不带电的枕形导体放在带负 电的导体 C 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 ( ) 图 6 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 答案 AD 解析 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. 3.(验电器的原理)如图 7 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( ) 图 7 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.金属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 答案 C 解析 用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，若将其接触验电器的金属球，此时两个箔片上均带正电荷；在此过 程中，一部分电子会从验电器向玻璃棒转移；移走玻璃棒后，箔片仍带电，不会立即合在一起，选项 C 正 确. 4.(电荷守恒定律的应用)有三个相同的金属小球 A、B、C，其中小球 A 带有 2.0×10－5C 的正电荷，小球 B、 C 不带电，现在让小球 C 先与球 A 接触后取走，再让小球 B 与球 A 接触后分开，最后让小球 B 与小球 C 接 触后分开，最终三球的带电荷量分别为 qA′＝______________C，qB′＝______________C，qC′＝ ____________C. 答案 5×10－6 7.5×10－6 7.5×10－6 解析 小球 C 先与球 A 接触后平分 A 的电荷，则 qA＝qC＝q 2 ＝1.0×10－5C，再让小球 B 与球 A 接触后分开， 则 qA′＝qB＝qA 2 ＝5×10－6C；最后让小球 B 与小球 C 接触后分开，则 qB′＝qC′＝qB＋qC 2 ＝7.5×10－6C.