教科版高中物理必修第三册第一章静电场课时学案

第一章　静电场

1　电荷　电荷守恒定律

知识点一　摩擦起电　两种电荷

1.电荷:自然界只存在两种电荷:正电荷和负电荷。同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。

2.电荷量:电荷的多少叫电荷量,常简称为电荷。在国际单位制中,电荷量的单位是库仑,用字母C表示。常用的电荷量单位还有微库(μC)和纳库(nC),1 μC=10-6 C,1 nC=10-9 C。

知识点二　摩擦起电的解释

1.原子电性:一般情况下,原子核所带电荷总量与电子所带电荷总量相等,因此物体通常对外不显电性。

2.摩擦起电的实质:不同种类的两个不带电物体相互摩擦时,一个物体的原子中有一些外层电子挣脱原子核的束缚并转移到另一个物体上去,失去电子的物体显示出带正电,得到电子的物体显示出带负电,而且两者的电荷量必然等量异号。

知识点三　元电荷、电荷守恒定律

1.元电荷:一个电子所带电荷量的绝对值为1.6×10-19 C,它是电荷的最小单元。 

2.电荷量的不连续性:任何带电体所带电荷量都是元电荷的整数倍。

3.电荷守恒定律:电荷既不能被创造,也不能被消灭,它们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。

知识点四　静电感应

1.静电感应:当带电导体靠近不带电导体时,由于同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引,导体中可自由移动的电荷将会重新分布,使导体靠近带电体与远离带电体的两端分别带上与带电导体电性相反和电性相同的电荷的现象。

2.验电器的使用方法:将带正电的玻璃棒接触验电器的金属球,验电器就带上了正电,再将待检验的带电体靠近验电器的金属球,如果它的金属箔片张开角度变大,则它带的是正电荷,反之,则带的是负电荷。

1.思考判断

(1)通过摩擦带电的两个物体必然带等量异种电荷。(　√　)

(2)发生静电感应现象时,导体靠近带正电的物体的一端带负电荷。(　√　)

(3)元电荷实质上是指电子和质子本身。(　×　)

(4)所有带电体的电荷量一定等于元电荷的整数倍。(　√　)

(5)甲物体带有+6 C的电荷量,乙物体带有-2 C的电荷量,把两物体接触后再分开,两物体分别带+2 C的电荷量。(　×　)

2.思维探究

(1)在天气干燥的季节,脱掉外衣后再去摸金属门把手时,常常会被电一下。这是为什么?

(2)关于电荷,某同学有以下认识:

①电荷量很小的电荷就是元电荷;

②物体所带的电荷量可以是任意的。

你认为他的看法正确吗?请简述你的理由。

答案:(1)在天气干燥的季节,由于摩擦,使身体和外衣都带了电,此时用手去摸金属门把手时,身体通过门把手放电,于是有电击的感觉。

(2)两种看法均不正确。元电荷是最小的电荷量,电荷量不能连续变化,自然界中带电体的电荷量都是元电荷e的整数倍。

要点一　三种起电方式的理解

如图所示,是感应起电机,结合图思考后回答问题:

(1)两个绝缘体发生摩擦为什么会带上电荷?

(2)感应起电能发生在绝缘体上吗?原因是什么?

答案:(1)两个绝缘体摩擦时,其中一个物体失去电子,另一个物体得到电子,分别带上了正、负电荷。

(2)感应起电不会发生在绝缘体上,因为绝缘体中的电子几乎都被束缚在原子范围内,不能自由移动。

1.三种起电方式的比较

2.三种起电方式分析

(1)摩擦起电

如图所示,丝绸摩擦玻璃棒,玻璃棒失去电子而带正电,丝绸得到电子而带负电;毛皮摩擦硬橡胶棒,硬橡胶棒得到电子带负电,毛皮失去电子而带正电。

(2)感应起电

如图所示,带电体靠近导体A、B,由于电荷间的相互吸引或排斥,导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体,使A、B导体分别聚集负电荷和正电荷,先将A、B分开再移走带电体,则A、B导体分别带负电荷和正电荷。

(3)接触起电

如图所示,使带电体(带正电)与不带电的导体接触,由于电荷间的相互作用,电子从A转移到带电体上,分开后导体A带正电荷。

[例1] (多选)如图,取一对不带电的、有绝缘柱支撑的导体A和B,使它们彼此接触。把带正电荷的物体C移近导体A,会发现两端的金属箔片均张开。然后先手持绝缘柱把导体A和B分开,再移开C。移开C之后,下列说法正确的是(　BD　)

A.A带正电,B带负电

B.A带负电,B带正电

C.A、B上的金属箔片完全闭合

D.A、B上的金属箔片仍张开一定角度

解析:把带正电荷的物体C移近导体A,会发现两端的金属箔片均张开,此时,由于电荷间相互吸引或排斥,A带负电,B带正电。然后先手持绝缘柱把导体A和B分开,A仍然带负电,B仍然带正电,再移走C,A、B上的电荷不会中和,所以A、B上的金属箔片仍张开一定角度。故选B、D。

①近异远同:用带电体靠近不带电的导体时,会在靠近带电体的一端感应出与带电体电性相反的电荷,远离端感应出与带电体电性相同的电荷。

②若使两个完全相同的金属球带电荷量分别为Q1、Q2,则它们接触后再分开都带有的电荷量,式中电荷量Q1、Q2均包含它们的正负号。

[针对训练1] 如图所示是A、B、C三个用细线悬挂的轻质小球靠近时发生相互作用的情形。关于各小球带电的判断,下列说法中正确的是(　C　)

A.可能A带负电,B带正电,C带负电

B.可能A带负电,B不带电,C带正电

C.可能A带正电,B带正电,C不带电

D.可能A不带电,B带负电,C带正电

解析:由于A、B两小球相斥,说明A、B一定都带电,且带的是同种电荷,故该题有两种可能:①若A球带正电,即B球也带正电,由于B、C相吸,故C球有两种可能,即C球可能带负电,也可能不带电;②若A球带负电,即B球也带负电,由于B、C相吸,故C球也有两种可能,即C球可能带正电,也可能不带电。故选C。

要点二　电荷守恒定律的理解

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提出了下列观点,你认为哪些是正确的?

①小球上原有的负电荷逐渐消失了。

②在此现象中,电荷不守恒。

③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。

④该现象是由于电子的转移引起的,仍然遵循电荷守恒定律。

答案: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③④正确。

1.物体带电的实质:物体带电不是创造了电荷,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,也就是物体间或物体内部电荷的重新分配。摩擦起电、感应起电和接触起电,均符合电荷守恒定律。

2.“电荷的总量”含义:指正、负电荷的代数和。

3.电荷的中和:指带等量异种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。

4.守恒的广泛性:电荷守恒定律同能量守恒定律一样,是自然界中重要的基本规律,任何电现象都不违背电荷守恒定律,涵盖了包括近代物理实验发现的微观粒子在变化中遵守的规律。

[例2] 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少?

(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少?

解析:(1)设A、B两球带电荷量均为q,则A、C接触后,A、C带电荷量为qA=qC=q。

C再与B接触后,B、C所带电荷量为

qB=qC′==q,

故A、B带电荷量大小之比为==。

(2)设A带正电,B带负电,且所带电荷量大小均为Q,

则A、C接触后,A、C带电荷量为qA′=qC′=Q,

C再与B接触后,B、C所带电荷量为qB′=qC″==-Q,

故A、B带电荷量大小之比为||==。

答案:(1)2∶3　(2)2∶1

[针对训练2] (多选)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,最后,得知甲物体带正电荷1.6×10-15 C,丙物体带电荷量的大小为8×10-16C。则对于最后乙、丙两物体的带电情况,下列说法中正确的是(　AD　)

A.乙物体一定带有负电荷8×10-16 C

B.乙物体可能带有负电荷2.4×10-15 C

C.丙物体一定带有正电荷8×10-16 C

D.丙物体一定带有负电荷8×10-16 C

解析:由于甲、乙、丙原来都不带电,甲、乙相互摩擦导致甲失去电子而带1.6×10-15 C的正电荷,乙物体得到电子而带 1.6×10-15 C的负电荷;乙物体与不带电的丙物体相接触,从而使一部分负电荷转移到丙物体上,故可知乙、丙两物体都带负电荷,由电荷守恒可知乙最终所带负电荷1.6×10-15 C-8×10-16 C=8×10-16 C,选项A,D正确。

(2)中和:两个带有等量异种电荷的带电体接触达到电中性的过程,在此过程中电荷仍然守恒。

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。

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。

[示例] 如图所示,放在绝缘支架上带正电的导体球A,靠近放在绝缘支架上不带电的导体B,导体B用导线经开关接地。现把S先合上再断开,再移走A,则导体B(　C　)

A.不带电 B.带正电

C.带负电 D.不能确定

解析:根据静电感应现象和电荷间的相互作用,可判断导体B带负电,故选项C正确。

生活中的静电现象

　　静电,是一种处于静止状态的电荷。在干燥和多风的秋天,在日常生活中,人们常常会碰到这些现象:晚上脱衣服睡觉时,常听到“噼啪”的声响,黑暗中伴有蓝光;见面握手时,手指刚一接触到对方,会突然感到指尖针刺般刺痛;早上起来梳头时,头发会经常“飘”起来,越理越乱;拉门把手、开水龙头时都会“触电”,时常发出“啪、啪”的声响,这就是发生在人体的静电。

[示例] 用塑料梳子梳头时,塑料梳子和头发都会带电,其原因是(　C　)

A.摩擦创造了电荷

B.静电感应创造了电荷

C.电子在梳子和头发之间发生了转移

D.质子在梳子和头发之间发生了转移

解析:用塑料梳子梳头发时,塑料梳子与头发相互摩擦,发生了电子的转移,从而使梳子和头发分别带上异种电荷。故C正确。

课时作业

1.(多选)对物体带电现象的叙述,下列说法正确的是(　CD　)

A.一个不带电的物体内一定没有电荷

B.物体带电一定具有多余的电子

C.物体带电的过程就是电荷移动的过程

D.带电体发生中和的现象是等量异种电荷完全相互抵消的结果

解析:一个物体不带电并不是内部没有电荷,而是由于正、负电荷一样多,从而对外显示电中性。当正电荷多于负电荷时对外显示带正电;当负电荷多于正电荷时对外显示带负电,故A,B错误。物体带电的实质就是得失电子,即电荷移动,故C正确。带等量异种电荷的物体相接触时,带负电的物体中多余电子全部移动到带正电的物体上与正电荷相互抵消,从而使两物体都呈电中性,故D正确。

2.某电视台有这样一个节目:让两人手拉手站在绝缘台上,一人手扶一装置来回答问题,当在规定的时间内回答不完所给的问题时,工作人员经过操作使两人“怒发冲冠”(头发直立而散开)。从物理学原理分析产生这一现象的原因是(　C　)

A.空气对头发的作用结果

B.一种魔术现象

C.同种电荷相互排斥原理,使带同种电荷的头发相斥而散开

D.以上说法都不对

解析:头发比较轻,当带有同种电荷时,相互排斥,头发便分散开来,

形成“怒发冲冠”的现象,故选项C正确。

3.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,导体与大地发生静电感应,

使导电平板带上负电荷,选项B正确。

4.M和N都是不带电的物体,它们互相摩擦后M带正电荷 1.6×10-10 C,下列判断中正确的是(　C　)

A.在摩擦前M和N的内部没有任何电荷

B.摩擦的过程中电子从N转移到了M

C.N在摩擦后一定带负电荷1.6×10-10 C

D.M在摩擦过程中失去了1.6×10-10个电子

解析:在摩擦前M和N的内部有电荷,但净电荷为零,选项A错误;摩擦的过程中电子从M转移到了N,M带上了正电荷,选项B错误;由电荷守恒定律可知,N在摩擦后一定带负电荷1.6×10-10 C,选项C正确;M在摩擦过程中失去了=1×109(个)电子,选项D错误。

5.梳过头发的梳子,常能吸引轻小物体,这属于摩擦起电。关于摩擦起电现象,下列说法正确的是(　D　)

A.摩擦起电现象使本来没有电子和质子的物体中产生了电子和质子

B.两种不同材料的绝缘体互相摩擦后,同时带上等量同种电荷

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

解析:摩擦起电现象的本质是摩擦使一个物体上的自由电子转移到另一个物体上,并不会产生电子和质子,最终会使两物体分别带上等量的异种电荷,故A,B,C错误,D正确。

6.(多选)如图所示,有一带正电荷的验电器,当一金属球A靠近验电器的小球B时,验电器金属箔张角减小,则金属球A(　AB　)

A.可能不带电

B.可能带负电

C.可能带正电

D.一定带负电

解析:验电器原来带正电,要使张角减小,则应使B处的电子转移到金属箔处,根据电荷间的相互作用,A球可能带负电;若A球不带电时,

由于感应起电,则A球左侧也会带上负电,使得验电器金属箔张角

减小,A球可以带负电,也可以不带电,故A,B正确。

7.如图,将充气后的气球在头发上摩擦,再靠近不带电的空易拉罐,

在气球未接触易拉罐的情况下,可观察到易拉罐会朝气球方向滚动。关于这一现象,下列说法正确的是(　A　)

A.易拉罐靠近气球一侧的带电性质和气球相反

B.易拉罐远离气球一侧的带电性质和气球相反

C.气球对易拉罐远、近两侧的作用力均为吸引力

D.气球对易拉罐远、近两侧的作用力大小相等

解析:根据静电感应,易拉罐靠近气球一侧与气球带异种电荷,远离一侧与气球带同种电荷,A正确,B错误;气球对易拉罐远侧为斥力,近侧为吸引力,并且对近侧的力大于对远侧的力,故最终表现为吸引力,

C,D错误。

8.如图所示,把一个不带电的枕形导体靠近带正电的小球,由于静电感应,在a、b两端分别出现负、正电荷,则以下说法正确的是(　C　)

A.闭合开关S1,有电子从枕形导体流向大地

B.闭合开关S2,有电子从枕形导体流向大地

C.闭合开关S1,有电子从大地流向枕形导体

D.闭合开关S2,没有电子通过开关S2

解析:在S1、S2都断开时,对枕形导体,它的电荷是守恒的,由于静电感应,a、b两端出现等量的负、正电荷。当闭合开关S1、S2中的任何一个以后,便把大地与枕形导体连通,使大地与枕形导体组成一个新的大导体,因此,枕形导体本身的电荷不再守恒,而是与大地构成的系统电荷守恒;由于静电感应,a端仍为负电荷,大地为远端,感应出正电荷,因此无论是闭合开关S1还是S2,都有电子从大地流向枕形导体,故选项C正确。

9.如图所示,大球A原来的电荷量为Q,小球B原来不带电,现在让小球与大球接触,达到静电平衡时,小球获得的电荷量为q;现给大球A补充电荷,使其电荷量为Q,再次让小球接触大球,每次都给大球补充到电荷量为Q,问:经过反复足够多次接触后,小球的带电荷量为多少?

解析:由于两个球的形状和大小不等,所以在接触过程中,两球的电荷量分配比例不是1∶1,但应该是一个确定的值。根据第一次接触达到静电平衡时两者的电荷量关系可知,此比例为(Q-q)∶q。

经过多次接触后,从大球上迁移到小球上的电荷量越来越少,最终将为零,设最终B球带电荷量为q′,

有=,

解得q′=。

答案:

10.如图所示,通过调节控制电子枪产生的电子束,使其每秒有1×104个电子到达收集电子的金属瓶。经过一段时间,金属瓶上带

有-8×10-12 C的电荷量,问:

(1)金属瓶上收集到多少个电子?

(2)金属瓶收集电子的时间为多长?

解析:(1)金属瓶上收集的电子数目为N===5×107(个)。

(2)金属瓶收集电子的时间t= s=5 000 s。

答案:(1)5×107个　(2)5 000 s