第一章 1.电荷 电荷守恒定律-【金版新学案】2023-2024学年新教材高二物理必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（教科版2019）

1．电荷　电荷守恒定律 【核心素养目标】 物理观念 元电荷、正负电荷、电荷量、电荷守恒定律。 科学思维 摩擦起电和感应起电的实验过程、现象及本质。电荷守恒的理解。 科学探究 在探究的基础上，总结归纳出摩擦起电、感应起电的特点及本质。思考领会守恒思想。 科学态度与责任 会解释生活中的静电现象。起电方式与电荷守恒的应用。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、摩擦起电　两种电荷 1．两种电荷：自然界只存在两种电荷：正电荷和负电荷。 (1)正电荷：用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷。 (2)负电荷：用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷。 (3)同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引；且带电体有吸引轻小物体的性质。 2．电荷量 (1)定义：电荷的多少叫作电荷量，常简称为电荷，用Q表示，有时也可以用q来表示。 (2)单位：在国际单位制中，它的单位是库仑，简称库，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＝10－6C，1 nC＝10－9 C。 (3)电荷量的正负 正电荷的电荷量用正数表示，负电荷的电荷量用负数表示。 3．元电荷 (1)定义：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，称为元电荷。 (2)记作：e＝1．6×10－19 C。 (3)实验发现，任何带电体所带电荷量都是元电荷的整数倍。 4．摩擦起电的解释 (1)原子的组成 原子由带正电的原子核和带负电的电子构成。 (2)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。 (3)摩擦起电的解释 两个物体相互摩擦时，一个物体失去电子，另一个物体得到电子，失去电子的物体内部正电荷的总量大于负电荷的总量，显示出带正电，得到电子的物体就显示出带负电。 二、电荷守恒定律 1．内容：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。也就是说，在任何自然过程中，电荷的代数和是守恒的。这就是通常所说的电荷守恒定律。 2．电荷守恒定律更普遍的表述 一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。 学生用书第2页 三、静电感应 1．定义 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种电荷，远离带电体的一端带同种电荷。这种现象称为静电感应。如图所示，带电小球靠近验电器的小金属球。 2．感应起电 利用静电感应使金属导体带电的过程叫作感应起电。 1．判断正误 (1)用丝绸摩擦玻璃棒，玻璃棒带正电，证明正电荷从丝绸转移到玻璃棒上。(　　) (2)电子的电荷量e的数值最早是由库仑通过实验测出的。(　　) (3)所有带电体的电荷量一定等于元电荷的整数倍。(　　) (4)带有等量异种电荷的两个金属球接触后发生电荷的中和，系统所带电荷消失了。(　　) (5)感应起电过程是物体所带电荷的重新分配，电荷的总量不变。(　　) (6)静电感应是由于电荷间的相互作用而发生的。(　　) 答案：　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)√ 2．链接实景 A为带正电的小球，B为不带电的导体，把B放在A附近，A、B之间存在吸引力还是排斥力？ 提示：　吸引力，由于静电感应，导体B靠近A的一侧感应出负电荷，远离A的一侧感应出正电荷，故A、B之间存在吸引力。 知识点一　电荷间的相互作用规律及其应用　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．电荷的基本性质 客观存在性 电荷是物质的一种属性，物体可以带正电荷，也可以带负电荷，当物体所带正、负电荷相等时对外不显电性。 相互作用性 同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，电荷间的相互作用遵守牛顿第三定律。 基本性质 带电物体吸引轻小物体。 2．分析电荷间的相互作用应把握两点 (1)电荷间有相互作用力，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，两电荷间的相互作用力大小相等、方向相反，作用在同一条直线上。 (2)发生相互作用时未必都带电，要注意带电体不管是带正电荷还是带负电荷，都有吸引轻小物体的性质。 (2023·陕西西安联考)(多选)悬挂在丝线下的两轻质小球由于发生相互作用，可能相互靠近，如图甲所示，也可能相互远离，如图乙所示，则(　　) A．甲图中两球一定带异种电荷 B．乙图中两球一定带同种电荷 C．甲图中两球至少有一个球带电 D．乙图中只有一个球带电 BC　[甲图中两球相互吸引，两球可能带异种电荷，也可能一个球带电，另一个球不带电，故C正确，A错误；乙图中两球相互排斥，两球一定带同种电荷，故B正确，D错误。] 针对练．将两只相同的充气气球在头发上摩擦后放在绝缘水平面上，关于两只气球之间的静电相互作用，下列说法正确的是(　　) A．气球带同种电荷相互吸引 B．气球带异种电荷相互吸引 C．气球带同种电荷相互排斥 D．气球带异种电荷相互排斥 C　[根据同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引，来分析气球间的相互作用力性质。两只相同气球与头发摩擦后，因摩擦起电，带同种电荷，所以气球相互排斥，故C正确。] 学生用书第3页 知识点二　对三种起电方式的理解　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 如图所示，将带正电荷的球C移近不带电的导体A、B(A、B相互接触)。 进行以下操作步骤，如图所示： (1)如图甲：使带电体C靠近相互接触的两导体A、B。 (2)如图乙：保持C不动，用绝缘工具分开A、B。 (3)如图丙：移走C。 在(1)情景中，把带正电的物体C移近导体A，金属箔有什么变化？ 在(2)情景中，把A和B分开，然后移去C，金属箔又有什么变化？ 在(3)情景中，再让A和B接触，又会看到什么现象？ 提示：　(1)电荷间的作用特点：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。当带正电的物体C移近A、B时，导体A、B中的自由电荷在电荷作用力的影响下运动并重新分布，导体A、B分别带负电和正电，金属箔由闭合变为张开。 (2)在带电体C的影响下，分开导体A、B，A仍带负电，B仍带正电。移去带电体C，负电荷在A内重新分布，正电荷在B内也重新分布，所以A、B两端的金属箔仍然张开，但张角稍微变小。 (3)A、B接触，A、B中等量异种电荷发生“中和”，A、B对外表现为“电中性”，因而A、B两端的金属箔都闭合。 1．对三种起电方式的理解 — 摩擦起电 感应起电 接触起电 产生 两种不同物质构成的绝缘体摩擦 带电体靠近导体 导体与带电体接触 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且电性与原带电体“近异远同” 导体带上与带电体相同电性的电荷 原因 不同物质的原子核对核外电子的束缚能力不同而发生电子的得失 导体中的自由电子受带正(负)电物体吸引(排斥)而靠近(远离) 电荷之间的相互作用 实质 电荷在物体间或物体内部的转移 2．注意三点 (1)摩擦起电适用于绝缘体，感应起电、接触起电适用于导体。 (2)无论哪种起电方式，发生转移的都是电子。 (3)带电、导电和起电的区别 ①带电：物体内部有多余电子或缺少电子的状态。 ②导电：电子或离子在导体内定向移动的过程或现象。 ③起电：使原来不带电的物体带上电的过程。 (2023·吉林延边二中高二联考)如图所示，两个不带电的导体A和B，用一对绝缘柱支撑使它们彼此接触。把一带正电荷的物体C置于A附近，贴在A、B下部的金属箔都张开(　　) A．此时A带正电，B带负电 B．此时A、B都带负电 C．移去C，贴在A、B下部的金属箔都闭合 D．先把A和B分开，然后移去C，贴在A、B下部的金属箔都闭合 C　[带正电的物体C置于A附近时，由于静电感应，A带上负电，B带上正电，故A、B错误；移去C后，由于电荷间的相互作用，重新中和，恢复电中性状态，两金属箔均闭合，故C正确；先把A和B分开，则A带负电，B带正电，移去C后，电荷不能再进行中和，两金属箔仍然张开，故D错误。] 学生用书第4页 感应起电的判断方法 (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)等量异性：用带电体靠近不带电的导体(或两不带电的相互接触的导体)时，会在原不带电的导体两端(或两不带电的相互接触的导体)感应出等量异性电荷。　　 针对练1．人站在绝缘板上，手扶着起电球，头发竖起来，则头发带电的方式属于(　　) A．摩擦起电 B．接触起电 C．感应起电 D．以上方式都不属于 B　[人站在绝缘板上，手扶着起电球，电荷通过人体传向头发，使头发带同种电荷，因为同种电荷相互排斥，因此出现头发竖起来的现象，头发带电的方式属于接触起电，所以B选项是正确的。] 针对练2．关于摩擦起电现象，下列说法中正确的是(　　) A．摩擦起电是用摩擦的方法将其他物质变成了电荷 B．摩擦起电是通过摩擦将一个物体中的原子转移到另一个物体 C．通过摩擦起电的两个原来不带电的物体，一定带有等量异种电荷 D．通过摩擦起电的两个原来不带电的物体，可能带有同种电荷 C　[摩擦起电的摩擦，使电子从一个物体转移到另一个物体，故A、B错误；通过摩擦起电的两个原来不带电的物体，一定带有等量异种电荷，故C正确，D错误。] 知识点三　电荷守恒定律及电荷分配规律　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (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4×10－19 C吗？ (3)电子和质子就是元电荷吗？ 提示：　(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1．60×10－19 C的整数倍。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。 (3)元电荷是最小的电荷量，不是实物粒子；电子和质子是实物粒子，不是元电荷。 1．对电荷转移及电荷守恒定律应理解以下四点 (1)电荷守恒定律是自然界中最基本的守恒定律之一。 (2)两个物体之间或物体的两部分之间能转移的是电子。 (3)起电过程的实质是物体中正、负电荷的分离和转移的过程。 (4)电荷的中和现象实质是正、负电荷的“结合”过程，但在分离、转移、结合等过程中电荷的总量保持不变。 2．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。 3．电荷分配规律 (1)接触起电过程中，电荷的分配与导体的形状、大小有关。 (2)两个完全相同的小球接触后再分开，两球将平分电荷量。如图所示： 甲、乙、丙是三个完全相同的带绝缘支架的金属小球，先让带电荷量为＋1．63×10－15C的甲球与乙球接触，再与不带电的丙球接触，接触后，丙球所带电荷量为－8×10－16 C，则(　　) 学生用书第5页 A．接触前乙球带有－3．2×10－15 C电荷 B．接触前乙球带有－4．8×10－15 C电荷 C．接触前乙球不带电 D．接触前乙球带有1．6×10－15 C电荷 B　[由于甲、乙、丙是三个完全相同的小球，丙球不带电，乙、丙两个小球接触时，电荷量平均分配，可得与丙接触前乙球带的电荷量为：Q乙′＝2Q丙＝－1．6×10－15 C。甲、乙两小球接触时，由于带异种电荷，所以先中和再平分，可得；Q乙′＝代入数据解得：Q乙＝－4．8×10－15 C，故B正确，A、C、D错误。] 针对练．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，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？ 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＝q C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 　拓展视野提能力——验电器的原理及使用 1．验电器的结构及工作原理 如图所示，验电器主要由金属球、金属杆、金属箔片、绝缘外壳等构成。其工作原理是当金属球、金属杆及金属箔片带电后，根据同种电荷相互排斥，两片金属箔片将在排斥力作用下张开。 2．带电体接近验电器 带电体接近验电器时发生静电感应现象。 (1)用带正电的物体接近验电器的金属球，若验电器原来不带电，由于静电感应，金属球感应出负电荷，而金属箔片则由于带正电而张开一定角度。 (2)用带正电的物体接近验电器的金属球，若验电器原来带正电，由于静电感应，金属球的正电荷减少，金属箔片上的正电荷增加，张角增大。 (3)用带正电的物体接近验电器的金属球，若验电器原来带负电，由于静电感应，异种电荷相吸，金属球的负电荷增加，金属箔片上的负电荷减少，张角减小；也可能金属箔片上的负电荷先减少到零，然后金属箔片带正电且电荷量增加，此时张角先减小后增大。 3．带电体接触验电器 带电体接触验电器时发生电子转移。 (1)若验电器原来不带电，接触后验电器带上与带电体电性相同的电荷，金属箔片由于带同种电荷，相互排斥而张开一定角度。 (2)用带正电的物体接触验电器的金属球，若验电器原来带正电，则验电器带的电荷量可能减少，也可能增加，因此其张角可能减小，也可能增大。 (3)用带正电的物体接触验电器的金属球，若验电器原来带负电，则验电器上的电荷量可能减少，也可能减少为零后验电器带正电且电荷量增加，因此其张角可能减小，也可能先减小后增大。 学生用书第6页 应用1．(2023·湖南三湘名校联考)用带正电的小球靠近不带电的验电器的金属球，结果验电器的金属箔张开，如图甲所示；用带正电的小球接触不带电验电器的金属球，结果验电器的金属箔张开，如图乙所示。关于甲、乙两验电器金属箔带电情况，下列说法正确的是(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A．甲带正电、乙带负电 B．甲带负电、乙带正电 C．都带正电 D．都带负电 C　[甲图中，验电器本来不带电，由于异种电荷相互吸引，带正电的小球靠近验电器的金属球时，使得金属球带负电荷，从而导致金属箔带上正电荷；乙图中，用带正电的小球接触不带电验电器的金属球，这时验电器无论是金属球还是金属箔都带上了正电荷。C正确，故选C项。] 应用2．如图所示，用起电机使金属球A带正电，靠近验电器B，则(　　) A．验电器金属箔不张开，因为球A没有和B接触 B．验电器金属箔张开，因为整个验电器都带上了正电 C．验电器金属箔张开，因为整个验电器都带上了负电 D．验电器金属箔张开，因为验电器下部箔片带上了正电 D　[金属球A带正电，靠近验电器B时，根据同种电荷相斥、异种电荷相吸的原理，验电器金属箔中的电子就会被金属球A中正电荷吸引到验电器的上端小球上，所以下端的验电器箔片就会带上正电。因为同种电荷相互排斥，故箔片张开，D正确。] 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．如图所示，在用丝绸摩擦玻璃棒起电的过程中(　　) A．通过摩擦创造了电荷 B．丝绸得到电子带负电 C．玻璃棒得到电子带正电 D．玻璃棒带正电，丝绸不带电 B　[用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，原因是玻璃棒上的原子核束缚电子的能力弱，使一部分电子从玻璃棒上转移到丝绸上，丝绸得到电子带负电，玻璃棒因失去电子而带正电，A、C、D错误，B正确。] 2．(2023·浙江书生中学月考)绝缘细线上端固定，下端挂一轻质小球a，a的表面镀有铝膜；在a旁有一绝缘金属球b，开始时a、b都不带电，如图所示，现使b带电，则 (　　) A．b将吸引a，吸住后不放开 B．b先吸引a，接触后又把a排斥开 C．a、b之间不发生相互作用 D．b立即把a排斥开 B　[带电体具有吸引轻小物体的性质，由题意知，b先吸引a，当两球接触后，两球带同种电荷，有斥力作用，因此b又把a排斥开，所以B正确。] 3．电子是原子的组成部分，一个电子带有(　　) A．1．6×10－19 C的正电荷 B．1．6×10－19 C的负电荷 C．9．1×10－31 C的正电荷 D．9．1×10－31 C的负电荷 B　[电子带负电，电荷量大小为e＝1．6×10－19 C，故B正确，A、C、D错误。] 4．如图是伏打起电盘示意图，其起电原理是(　　) 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 B　[当导电平板靠近带电的绝缘板时，导电平板下侧感应出负电荷，上侧感应出正电荷，当导电平板接地时，大地中的电子与正电荷中和，导电平板只剩负电荷，故这种起电方式是感应起电，B正确。] 5．(2023·安徽高二期末)如图所示，左边是一个原先不带电的导体，右边C是后来靠近导体的带正电金属球。若用绝缘工具沿图示某条虚线将导体切开，将导体分为A、B两部分，这两部分所带电荷量的数值分别为QA、QB，则下列结论正确的是(　　) A．沿虚线d切开，A带负电，B带正电，且QB>QA B．只有沿虚线b切开，才有A带正电，B带负电，且QB＝QA C．沿虚线a切开，A带正电，B带负电，且QB>QA D．沿任意一条虚线切开，都有A带正电，B带负电，而QA、QB的值与所切的位置有关 D　[静电感应使得A端带正电，B端带负电。导体原来不带电，只是在C中正电荷的作用下，导体中的自由电子向B端移动，使B端有多余的电子而带负电，A端少了电子，因而带正电。A部分失去的电子数目和B部分多余的电子数目是相同的，因此无论从哪一条虚线切开，两部分的电荷总量都是相等的。但由于电荷之间的作用力与距离有关，自由电子在不同位置所受C的作用力的强弱是不同的，这样导致电子在导体上的分布不均匀，越靠近B瑞，负电荷密度越大；越靠近A端，正电荷密度越大，因此从不同位置切开时，QA、QB的值是不同的。故D正确。] 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