高中物理鲁科版 (2019)必修 第三册第1节 静电的产生及其微观解释获奖教学设计

静电的产生及其微观解释

【教学目标】

【教学重难点】

1．引导学生运用原子结构模型和电荷守恒的知识分析静电现象。

2．引导学生通过实验，观察并分析静电现象。

【教学过程】

一、导入新课

将梳过头发的塑料植立刻靠近细小纸屑，纸屑会被吸起。雷雨天，你能看到撕裂长空的闪电，听到震耳欲聋的雷声。这些都是静电现象。那么，静电是怎样产生的？为什么会产生？本节将学习产生静电的常见方式，并从微观角度对静电现象进行分析。

二、新知学习

知识点一  静电的产生

[观图助学]

俯视逆时针转动     俯视顺时针转动

观察上图现象你可以得出什么结论？

观察上图现象，思考电荷是如何移动的？

1．电荷

（1）电荷量：电荷的多少。在国际单位制中，电荷量的单位为库仑，简称库，符号为C。

（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：当两个由不同物质组成的物体互相摩擦时，一个物体中某些原子的电子挣脱了原子核的束缚，转移到另一个物体上，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等量的正电。

3．接触起电：当一个带电体接触导体时，电荷会发生转移，使导体也带电。

4．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，导体中的自由电子便会靠近或远离带电体，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，受附近带电体影响而使导体上的电荷重新分布的现象称为静电感应。利用静电感应使金属导体带电的方式称为感应起电。

[思考判断]

（1）摩擦起电是创造电荷的过程。（×）

（2）接触起电是电荷转移的过程。（√）

（3）玻璃棒无论和什么物体摩擦都会带正电。（×）

知识点二  产生静电的微观解释

[观图助学]

丝绸摩擦玻璃棒，玻璃棒失去了电子，带正电；丝绸得到了电子，带负电；从整体上看，两物体摩擦过程中电荷守恒吗？

1．电荷守恒定律

表述：电荷既不能被创造，也不能被消灭，只能从物体的一部分转移到另一部分，或者从一个物体转移到另一个物体。在转移过程中，电荷的总量不变。

2．摩擦起电的实质：两个不同物质组成的物体相互摩擦，由于摩擦力做功，一个物体中的电子获得能量，挣脱原子核的束缚转移到另一个物体上。根据电荷守恒定律，一个物体失去电子带正电，另一个物体得到电子带负电。

3．感应起电的实质是在附近带电体所带电荷的作用下，导体中的自由电荷从导体的一部分转移到了另一部分。

[思考判断]

（1）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。（×）

（2）不带电的物体一定没有电荷。（×）

（3）带等量异种电荷的两个导体接触后，电荷会消失，这种现象叫电荷的湮没。（×）

（4）感应起电过程仍符合电荷守恒定律。（√）

验电器的构造、原理及用途

1．构造

2．原理

金属箔片带同种电荷后，由于同种电荷相互排斥而张开。

3．应用

（1）检验物体是否带电。

（2）物体带电的种类。

[注意]

摩擦起电适用于绝缘体，接触起电和感应起电适用于导体。

物体带电的实质是电荷发生了转移，或物体间电荷的重新分配。

一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。

[拓展]

金属结构

中性是指物体内有电荷存在，但正负电荷的绝对值相等，对外不显电性。

三、核心探究

核心要点1  三种起电方式的理解

[观察探究]

（1）用与丝绸摩擦过的玻璃棒接触验电器的小球，会观察到什么现象？为什么。

答案  金属箔片张开。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。

（2）观察下述操作过程，会观察到什么现象？为什么。

答案  C在远处，金属箔片不张开，C移近后金属箔片张开，枕形导体分开，金属箔片仍张开，移走C，金属箔片张开。因为同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。

[探究归纳]

三种起电方式的比较

[试题案例]

[例1]（多选）关于摩擦起电和感应起电的实质，下列说法中正确的是（    ）

A．摩擦起电现象说明机械能可以转化为电能，也说明通过做功可以创造出电荷

B．摩擦起电说明电荷可以从一个物体转移到另一个物体

C．感应起电说明电荷可以从物体的一部分转移到另一部分

D．感应起电说明电荷可以从带电的物体转移到原来不带电的物体

解析  摩擦起电的实质是电子在相互摩擦的物体间发生转移，失去电子的带正电，得到电子的带负电，此过程并非创造了电荷，而是总电荷量守恒，A错误，B正确；感应起电的实质是电荷从导体的一部分转移到另一部分，是电荷在同一导体内部发生了转移，C正确，D错误。

答案  BC

[例2]（多选）如图所示，将带有负电的绝缘棒移近两个不带电的导体球，两个导体球开始时互相接触且对地绝缘，下列方法中能使两球都带电的是（    ）

A．先把两球分开，再移走棒

B．先移走棒，再把两球分开

C．使棒与甲球瞬时接触，再移走棒

D．先使乙球瞬时接地，再移走棒

导体与大地组成一个大的导体，则该导体为近端，带异种电荷，地球为远端，带同种电荷

解析  由于静电感应，甲球感应出正电荷，乙球感应出负电荷，把两球分开后，它们带上了等量异种电荷，所以A正确；若先将棒移走，则两球不会有静电感应现象产生，所以不会带上电荷，B错误；使棒与甲球接触，则两球会因接触而带上负电荷，所以C正确；若使乙球瞬时接地，则乙球上感应出的负电荷因受斥力而被导走，再将棒移走，由于甲、乙是接触的，所以甲球上的电荷会重新分布在甲、乙两球上，结果是两球都带上了正电荷，所以D正确。

答案  ACD

[针对训练1]（多选）如图所示，有一带正电的验电器，当一个金属球A靠近验电器上的金属小球B时，验电器中金属箔片的张角减小，则（    ）

A．金属球A可能不带电

B．金属球A一定带正电

C．金属球A可能带负电

D．金属球A一定带负电

解析  验电器的金属箔片之所以张开，是因为它们都带有正电荷，而同种电荷相互排斥，张开角度的大小决定于两金属箔片带电荷量的多少。如果A球带负电，靠近验电器的B球时，异种电荷相互吸引，使金属箔片上的正电荷“上移”，从而使两金属箔片张角减小，选项C正确，B错误；如果A球不带电，在靠近B球时，发生静电感应现象使A球靠近B球的一面出现负的感应电荷，而远离B球的一面出现正的感应电荷。A球上的感应电荷与验电器上的正电荷发生相互作用，由于负电荷离验电器较近而表现为吸引作用，从而使金属箔片张角减小，选项A正确，D错误。

答案  AC

核心要点2  产生静电的微观解释

[观察探究]

甲、乙两同学各拿一带电小球做实验时不小心两小球接触了一下，结果两小球都没电了！电荷到哪里去了呢？是否违背了电荷守恒定律？

答案  两球都没电了，说明原来的两球带等量异种电荷，两球接触时，正、负电荷中和了，不违背电荷守恒定律。

[探究归纳]

1．对电荷守恒定律的理解

电荷守恒定律是自然界最基本的规律之一，任何电现象都遵守电荷守恒定律。

实例：一个高能光子可以产生一对正、负电子，一对正、负电子可同时湮没，转化为光子。带电粒子总是成对产生或湮没，电荷的代数和不变。

2．三种带电的微观解释

3．接触起电现象中电荷量的分配（两个完全相同的金属球）

带同种电荷（Q1和Q2）接触后平分原来的所带电荷的总和，即Q1′＝Q2′＝。

带异种电荷（Q1和－Q2）接触后先中和后平分，即Q1′＝Q2′＝。

带等量异种电荷的两个物体接触时，经过电荷的转移，物体达到电中性。

[试题案例]

[例3]有两个完全相同的带电绝缘金属球A、B，分别带有电荷量QA＝6.4×10－9 C，

QB＝－3.2×10－9 C，让两绝缘金属球接触。在接触后，A、B带电荷量各是多少？此过程中电子如何转移？转移了多少个电子？

解析  由于QA＝6.4×10－9 C，QB＝－3.2×10－9 C，根据电荷均分规律，两球接触时带电荷量相同，则QA′＝QB′＝＝1.6×10－9 C。两球接触时，自由电子由B向A转移，转移电子的个数n＝＝＝3.0×1010（个）

答案  均为1.6×10－9 C  自由电子由B向A转移  3.0×1010个

[针对训练2]完全相同的两金属小球A、B带有相同的电荷量，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带同种电荷，带电荷量均为q，则A、C接触后，A、C带电荷量为qA＝qC＝q。

C与B球接触后，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qA＝＋q，qB＝－q。

则C与A接触后，A、C带电荷量为qA＝qC＝＋q。

C与B接触后，B、C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3]目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的。u夸克带的电荷量为e，d夸克带的电荷量为－e，e为元电荷，下列论断中可能正确的是（    ）

A．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成

B．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成

C．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成

D．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成

解析  质子H带电荷量为2×e＋＝e，中子n带电荷量为e＋2×＝0，可见B正确。

答案  B

【课堂总结】

起电的实质——电荷的转移

一个规律——电荷守恒定律