人教版 (2019)必修 第三册电荷学案设计

这是一份人教版 (2019)必修 第三册电荷学案设计，共18页。
[学习任务] 1．知道自然界中存在两种电荷及其相互作用的性质，知道电荷量的概念及其国际单位。
2．知道物体带电的三种方式。
3．掌握电荷守恒定律及元电荷、比荷的概念。
4．会用原子结构模型解释摩擦起电的原因。
[问题初探] 问题1．两种电荷间的相互作用有什么特点？
问题2．摩擦起电是产生新的电荷了吗？
问题3．元电荷是电子吗？
[自我感知] 经过你认真的预习，结合你对本节课的理解和认识，请画出本节课的知识逻辑体系。
电荷
[链接教材] 如图所示，摩擦过的琥珀能够吸引羽毛，说明摩擦可以使物体带电，是不是任何两个物体相互摩擦都能带上电呢？
1．物体带电
物体具有______________的性质，我们就说它带了电，或有了电荷。
2．两种电荷
(1)自然界中只存在两种电荷：________和________。
(2)电荷间的相互作用规律：同种电荷相互______、异种电荷相互______。
3．电荷量及其单位
(1)定义：电荷的多少叫作________，常用符号____或 ____表示。
(2)单位：在国际单位制中，电荷量的单位是______，简称____，用____表示。
(3)正负：电荷有正负之分，正电荷的电荷量为______，负电荷的电荷量为______。
4．物质的微观结构
(1)原子结构
原子原子核质子：带 中子：不带电核外电子：带 。
(2)自由电子：金属中原子的______电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中__________，这种电子叫作自由电子。
如图是古老的摩擦起电机，是英国科学家维姆胡斯于1882年制成的圆盘式静电感应起电机。
问题1．两个绝缘体发生摩擦为什么会带上电荷？
__________________________________________________________________________________________________________________________________________问题2．为何有的物体不带电，有的带正电荷、有的带负电荷？
__________________________________________________________________________________________________________________________________________问题3．为什么有的物体容易带电，而有的物体很难带电呢？
__________________________________________________________________________________________________________________________________________问题4．为什么导体能导电？绝缘体不能导电？
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1．摩擦起电的现象：两物体带上等量异种电荷。
2．对摩擦起电的理解
(1)摩擦起电的本质是发生了电子的转移，相互摩擦的两个物体一定是同时带上等量异种电荷。
(2)同一物体分别与不同种类的物体摩擦，该物体可以带上不同种类的电荷，因为不同物体的原子核对外层电子的束缚能力大小不同。
【典例1】 (对带电现象的认识)下列对电现象及规律的认识中正确的是( )
A．自然界中只存在正、负两种电荷
B．同种电荷相互吸引，异种电荷相互排斥
C．摩擦起电说明了电荷可以创生
D．带电物体一定具有多余的电子
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【典例2】 (对摩擦起电的理解)用棉布分别与聚丙烯塑料板和聚乙烯塑料板摩擦，实验结果如图所示，根据实验情况判断，下列对摩擦起电的说法正确的是( )
A．两个物体摩擦时，表面粗糙的易失去电子
B．两个物体摩擦时，表面光滑的易失去电子
C．两个物体摩擦起电时，带上电荷的种类、数量都不同
D．同一物体与不同种类的物体摩擦，该物体所带电荷种类可能不同
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静电感应
[链接教材] 如图所示为教材中的验电器，验电器的主要结构有哪些？验电器的工作原理是什么？
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______或______带电体，使导体靠近带电体的一端带______电荷，远离带电体的一端带______电荷的现象。
2．感应起电：利用__________使金属导体带电的过程。
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。
问题1．把带正电荷的物体C移近导体A，金属箔片有什么变化？
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问题2．这时把A和B分开，然后移去C，金属箔片又有什么变化？
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问题3．再让A和B接触，又会看到什么现象？
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1．感应起电的分析
(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。
2．三种起电方式的比较
【典例3】 (对感应起电的理解)如图所示，小刘同学利用验电器做静电感应实验。她先用包装用的气泡膜和PVC管摩擦，使PVC管因为失去电子而带电。左手拿带电的PVC管靠近(但不接触)验电器，发现验电器的金属箔片张开，然后用右手手指接触验电器上端的金属圆球，发现箔片闭合。以下对此实验的说法正确的是( )
A．发现验电器箔片张开，是因为此时箔片带负电，但验电器整体仍是电中性的
B．右手手指接触验电器时电子从验电器流向手指
C．如果松开右手，再撤去PVC管，验电器的箔片又会张开，验电器整体带负电
D．如果松开右手，再撤去PVC管，验电器的箔片依然闭合
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【典例4】 (三种带电方式的比较)下列三幅图反映了三种起电的方式，下列说法正确的是( )
A．甲图是橡胶棒与毛皮摩擦后，把正电荷传给了毛皮，使橡胶棒带上了负电
B．乙图无论小球D带正电还是负电，与A接触时都把电荷传给C、C′，使箔片张开
C．丙图中先把靠近的带电小球C移开，再分开A、B，则A、B带上了等量异种电荷
D．三种起电方式的实质都是电子的转移
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电荷守恒 元电荷
1．电荷守恒定律
(1)定义：电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体______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______。
(2)另一种表述：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的________保持不变。
2．元电荷
(1)定义：实验发现的最小电荷量就是______所带的电荷量，这个最小的电荷量叫作元电荷，用符号e表示。
(2)所有带电体的电荷量都是e的________，电荷量是不能______变化的物理量。
(3)元电荷的大小：e＝1.602 176 634×10-19 C，在计算中通常取e＝_____________________。
(4)电子的比荷：电子的电荷量e与电子的质量me之____。其值eme＝1.76×1011 C/kg。
如图所示，在摩擦起电的过程中，电子由玻璃棒移向丝绸，玻璃棒带上正电荷，丝绸带上负电荷。
问题1．该过程是否创造了电荷？
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问题2．在整个系统中，电荷的总量会增加或减少吗？
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问题3．物体所带的电荷量可以是任意的吗？
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问题4．物体所带的电荷量可以是4×10-19 C吗？
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1．对元电荷的理解
(1)元电荷e又称“基本电荷量”，是自然界存在的最小电荷量，最早是由美国物理学家密立根用实验测得的。元电荷作为电荷量的单位，是物理学的基本常量之一，e＝1.60×10-19 C。
(2)元电荷只是一个电荷量的单位，不是实物粒子，无正负之分。不能说电子或质子是元电荷。
2．对电荷守恒定律的理解
(1)电荷守恒定律不仅适用于宏观过程(电子的转移)，也适用于微观过程(核反应和粒子的转化过程)。
(2)起电过程的实质是物体中正、负电荷的分离或转移。摩擦起电和接触起电是电荷“从一个物体转移到另一个物体”，感应起电是电荷“从物体的一部分转移到另一部分”。
(3)电荷的总量是指电荷的代数和。
(4)电荷的中和是指正、负电荷的代数和为0。
3．两金属导体接触后电荷量的分配规律
(1)当两个导体材料、形状不同时，其中一个带电，另一个不带电，接触后再分开，两者均带电，但无法确定电荷量的多少。
(2)若使两个完全相同的金属球带电荷量大小分别为q1、q2，则有
①若带同种电荷⇒金属球相接触⇒总电荷量平分⇒即均带电q1+q22
②若带异种电荷⇒金属球相接触⇒先中和再平分⇒即均带电q1-q22
【典例5】 (对元电荷的理解)关于元电荷，下列说法正确的是( )
A．元电荷就是电子
B．元电荷是最小的电荷，它带正电
C．元电荷是最小的电荷，它带负电
D．元电荷的数值最早是由美国物理学家密立根测出的
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【典例6】 (对电荷守恒的理解)一带负电的通过绝缘支架支撑的金属小球被放在潮湿的空气中，经过一段时间后，发现该小球上带有的负电荷几乎不存在了，这说明( )
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．该现象不遵循电荷守恒定律
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【典例7】 (电荷分配规律的应用)有两个完全相同的带电金属球A、B，分别带有电荷量QA1＝6.4×10-9 C 和QB1＝－3.2×10-9 C，让两个金属小球接触再分开，则：
(1)分开后小球A、B的带电荷量QA2和QB2分别为多少？
(2)在接触的过程中，电子如何转移且转移了多少个(元电荷e＝1.6×10-19C)?
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1．经过摩擦的琥珀能够吸引干草、纸等轻小的物体。下列关于这个现象的解释正确的是( )
A．经过摩擦的琥珀带了电
B．经过摩擦的琥珀有了磁性
C．琥珀与干草带异种电荷
D．琥珀与干草带同种电荷
2．下列叙述正确的是( )
A．摩擦起电是电荷转移的过程
B．感应起电是创造电荷的过程
C．玻璃棒无论和什么物体摩擦都会带正电
D．带等量异种电荷的两个导体接触后电荷会消失，所以电荷不守恒
3．(多选)M和N是两个都不带电的物体。它们互相摩擦后，M带正电荷2.72×10-9 C，下列判断正确的有( )
A．在摩擦前M和N的内部没有任何电荷
B．摩擦过程中电子从M转移到N
C．N在摩擦后一定带负电荷2.72×10-9 C
D．M在摩擦过程中失去1.7×1010个电子
4．挂在绝缘细线下的两个轻质小球，由于电荷间的相互作用而靠近或远离，分别如图中甲、乙所示，则以下说法正确的是( )
A．甲图中两个小球一定带异种电荷
B．甲图中有一个小球可能不带电
C．乙图中两个小球一定带异种电荷
D．乙图中可能有一个小球不带电
回归本节知识，完成以下问题：
1．电荷有几种？什么叫电荷量？
2．物体起电方式有几种？
3．什么是元电荷？带电体的电荷量是任意的吗？
富兰克林与避雷针
现代避雷针是美国科学家富兰克林(1706—1790)发明的。富兰克林认为闪电是一种放电现象。为了证明这一点，他在1752年的一个雷雨天，冒着被雷击的危险，将一个系着长长金属导线的风筝放飞进雷雨云中，并在金属线末端拴着一串铜钥匙。当雷电发生时，富兰克林的手接近钥匙，钥匙上迸出一串电火花，他的手上还有麻木感。幸亏这次传下来的闪电比较弱，富兰克林没有受伤。在成功地进行了捕捉雷电的风筝实验之后，富兰克林在研究闪电与人工摩擦产生的电的一致性时，从两者的类比中做出过这样的推测：既然人工产生的电能被尖端吸收，那么闪电也能被尖端吸收。他由此设想，若能在高物上安置一种尖端装置，就有可能把雷电引入地下。富兰克林设计了一种避雷装置：把一根数米长的细铁棒固定在高大建筑物的顶端，在铁棒与建筑物之间用绝缘体隔开，然后用一根导线与铁棒底端连接，再将导线引入地下。富兰克林把这种避雷装置称为避雷针。经过试用，避雷针果然能起到避雷的作用。避雷针的发明是早期电学研究中的第一个有重大应用价值的技术成果。
1．雷电的性质与摩擦产生的电的性质是否相同？
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2．闪电被尖端吸收的本质是什么？
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1．电荷
[探究重构·关键能力达成]
知识点一
挖掘教材·梳理要点
[链接教材]
提示：不是。
1．吸引轻小物体 2．(1)正电荷 负电荷 (2)排斥 吸引 3．(1)电荷量 Q q (2)库仑 库 C (3)正值 负值 4．(1)正电 负电 (2)外层 自由运动
创设情境·启发思考
问题1 提示：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。
问题2 提示：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，所以整个原子对外界表现为电中性。原子核一般是很稳定的。离原子核较远的电子容易受外界的作用而脱离原子。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。
问题3 提示：两个束缚电子的能力差别较大的物体在摩擦时更容易带电，如琥珀与丝绸、玻璃棒与丝绸、橡胶棒与毛皮等，反之，两个束缚电子的能力差别较小的物体在摩擦时就很难带电。
问题4 提示：金属中原子的外层电子往往会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。失去自由电子的原子便成为带正电的离子，这就使金属成为导体。绝缘体中几乎不存在能自由移动的电子。
互动探究·深化提升
典例1 A [自然界中只存在正、负两种电荷，故A正确；同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，故B错误；摩擦起电是由于电子的转移，并非电荷可以创生，故C错误；带正电物体有多余的正电荷，带负电的物体有多余的带负电的电子，故D错误。]
典例2 D [题目没有提到物体的粗糙程度，所以不能判断出表面粗糙还是光滑的物体易失去电子，故A、B错误；摩擦起电的实质是电荷的转移，在转移的过程中总电荷量保持不变，所以两个物体摩擦起电时，一定同时带上种类不同但数量相同的电荷，故C错误；用棉布分别与聚丙烯塑料板和聚乙烯塑料板摩擦，棉布分别带负电与带正电，说明同一物体与不同种类的物体摩擦时，该物体的带电种类可能不同，故D正确。]
知识点二
挖掘教材·梳理要点
[链接教材]
提示：金属球、金属杆、金属箔等；同种电荷互相排斥。
1．趋向 远离 异种 同种 2．静电感应
创设情境·启发思考
问题1 提示：C移近导体A，两侧金属箔片都张开。
问题2 提示：金属箔片仍张开，但张角变小。
问题3 提示：A、B接触，金属箔片都闭合。
互动探究·深化提升
典例3 C [PVC 管因为失去电子而带正电，当其靠近验电器时，那么验电器的金属球会带负电，则箔片带正电，故A错误；因PVC 管带正电，验电器的金属球感应出负电荷，相应的金属箔片会出现剩余正电荷，手指接触验电器，使得验电器接地，中和金属箔片上剩余的正电荷，使金属箔片不带电，所以右手手指接触验电器时，是电子从手指流向验电器，故B错误；由于手指接触验电器时，电子从手指流向验电器，验电器整体带负电，此时松开右手，再撤去PVC 管，因验电器整体带负电，验电器的箔片仍会张开，故C正确，D错误。]
典例4 D [橡胶棒与毛皮摩擦后，橡胶棒带负电，是因为电子从毛皮转移到橡胶棒，A错误；小球D带正电时，电子从A与箔片转移到小球D，使箔片带正电，小球D带负电时，电子从小球D转移到A与箔片，使箔片带负电，两种情况均使箔片带同种电荷相斥，使箔片张开，B错误；小球C靠近A、B，发生静电感应现象，A、B带上等量异种电荷，移开小球C后，静电感应消失，分开后A、B均不带电，C错误；三种起电方式的本质都是电子的转移，不带电的物体因失去电子显正电性，得到电子显负电性，电子在转移的过程中，电荷的总量保持不变，D正确。]
知识点三
挖掘教材·梳理要点
1．(1)转移 不变 (2)代数和 2．(1)电子 (2)整数倍 连续 (3)1.60×10-19 C (4)比
创设情境·启发思考
问题1 提示：摩擦起电的过程并没有创造电荷。
问题2 提示：一个封闭的系统中，电荷的总量保持不变。
问题3 提示：物体所带的电荷量不是任意的，它只能是1.60×10-19 C的整数倍。
问题4 提示：由于4×10-19 C是1.60×10-19 C的2.5倍，所以物体所带的电荷量不能是4×10-19 C。
互动探究·深化提升
典例5 D [元电荷是指最小电荷量，元电荷是一个质子或一个电子的带电荷量，故A错误；元电荷是电荷量单位，没有正负之分，B、C错误；元电荷的数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测出的，故D正确。]
典例6 C [根据电荷守恒定律，电荷不能消灭，也不能创生，只会发生转移，故A错误；此过程中电荷仍然守恒，电荷没有消失，因为潮湿的空气导电，所以负电荷只是被潮湿的空气导走而已，仍然遵循电荷守恒定律，故B、D错误，C正确。]
典例7 解析：(1)当两个小球接触时，带电荷量少的小球B上的负电荷先被中和，剩余的正电荷再重新分配，由于两个小球完全相同，所以剩余的正电荷必均分，即分开后两小球所带的电荷量QA2＝QB2＝6.4×10-9-3.2×10-92 C＝1.6×10-9 C。
(2)在两个小球接触的过程中，电子由B球转移到A球，共转移电子的电荷量ΔQ＝－QB1＋QB2＝3.2×10-9 C＋1.6×10-9 C＝4.8×10-9 C。转移的电子数n＝ΔQe＝3.0×1010(个)，即电子由B球向A球转移，共转移了3.0×1010个。
答案：(1)1.6×10-9 C 1.6×10-9 C (2)电子由B球向A球转移，共转移了3.0×1010个
[应用迁移·随堂评估自测]
1．A [此现象属于静电现象，经过摩擦的琥珀带了电，B错误，A正确；带电体都有吸引轻小物体的性质，干草不一定带电，C、D错误。]
2．A [无论是摩擦起电还是感应起电，都是电荷的转移过程，不是创造电荷，故A正确，B错误；不同物质组成的物体相互摩擦时，原子核束缚核外电子的本领不同，原子核束缚核外电子本领强的得到电子，物体因多余电子带负电，原子核束缚核外电子本领弱的失去电子，物体因缺少电子带正电，所以玻璃棒和丝绸摩擦会带正电，但不是和什么物体摩擦都带正电，故C错误；带等量异种电荷的两个导体接触后，等量异种电荷完全抵消的现象，叫作中和，电荷不会消失，故D错误。]
3．BCD [在摩擦前，物体内部存在着等量的异种电荷，对外不显电性，A错误；M失去电子带正电，N得到电子带负电，所以电子是从M转移到N，B正确；在摩擦起电过程中，根据电荷守恒定律可知，得失电子数目是相等的，M带正电荷2.72×10-9 C，则N一定带负电荷2.72×10-9 C，C正确；M失去的电子数为n＝qe＝2.72×10-91.60×10-19 个＝1.7×1010个，D正确。]
4．B [题图甲中两个小球相互吸引而靠近，因此可知两个小球可能带异种电荷，也可能一个带电，一个不带电，故A错误，B正确；题图乙中两个小球相互排斥而远离，因此可知两个小球带同种电荷，故C、D错误。]
课堂小结
1．提示：自然界中电荷有两种：正电荷和负电荷。电荷的多少叫电荷量，用Q表示，有时也可以用q表示。
2．提示：摩擦起电、接触起电、感应起电三种方式。
3．提示：电子所带的电荷量是最小的电荷量，人们把这个最小的电荷量叫作元电荷。所有带电体的电荷量都是元电荷的整数倍，即电荷量是不能连续变化的物理量。
[阅读材料·拓宽物理视野]
问题1 提示：相同。
问题2 提示：云层中的电荷与尖端装置的异种电荷进行中和。
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种的电荷
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