物理必修 第三册1 电荷 电荷守恒定律导学案

电荷　电荷守恒定律

学习目标：

1．[物理观念]知道两种电荷及电荷量，知道电荷守恒定律及三种起电方式。　

2．[科学思维]理解三种起电方式的原理，能解决静电感应的相关问题。　

3．[科学探究]通过摩擦起电与感应起电的实验，探究起电的实质是电子的转移。　

4．[科学态度与责任]体验人类探索电的过程，养成观察、比较、归纳分析的良好习惯，树立勤于实践的科学精神。

一、摩擦起电　两种电荷　摩擦起电的解释

1．两种电荷：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，常用Q或q表示，国际单位制单位是库仑，简称库，符号是C。

1 μC＝10－6 C　1 nC＝10－9 C。

3．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，称为元电荷，记作e＝1.6×10－19 C。

实验发现，任何带电体所带电荷量都是元电荷的整数倍。

4．原子的组成

原子由带正电的原子核和带负电的电子构成。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。

5．摩擦起电：两个物体相互摩擦时，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，得到电子的物体内部正电荷的总量小于负电荷的总量，显示出带负电。

说明：带电的实质是电荷的转移。

二、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。也就是说，在任何自然过程中，电荷的代数和是守恒的。

说明：电荷守恒定律现在的表述是：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。

三、静电感应

1．静电感应：当一个带电体靠近不带电的导体时，由于电荷间相互吸引或排斥，导体中的自由电荷便会重新分布，使导体出现靠近带电体的一端带与带电体电性相反的异种电荷，远离带电体的一端带同种电荷的现象。

2．感应起电：利用静电感应使金属导体带电的过程。

3．验电器

(1)构造：金属球、金属杆、金属箔。

(2)使用：当验电器带电时，金属箔片由于同种电荷的排斥作用而张开，当箔片合拢时，表示验电器不带电。

注意：三种起电方式：接触起电、摩擦起电、感应起电。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)两个正电荷之间的作用力互为斥力，两个负电荷之间的作用力为引力。   (×)

(2)摩擦起电的过程就是创造电荷的过程。 (×)

(3)电荷守恒定律是自然界中最基本的守恒定律之一。 (√)

(4)元电荷就是质子或电子。  (×)

2．保护知识产权，抵制盗版是我们每个公民的责任与义务，盗版书籍影响我们的学习效率。小华有一次不小心购买了盗版的物理参考书，做练习时，他发现有一个关键数字看不清，拿来问老师，如果你是老师，你认为可能是下列几个数字中的(　　)

A．6.2×10－19 C B．6.4×10－19 C

C．6.6×10－19 C   D．6.8×10－19 C

B　[电荷量必须是元电荷e＝1.60×10－19 C的整数倍，6.4×10－19 C是e的4倍，故看不清的关键数字可能是B项，B正确。]

3．如图所示，在真空中，把一个中性的绝缘导体M向带负电的球P慢慢靠近，下列说法中错误的是(　　)

A．M两端的感应电荷越来越多

B．M两端的感应电荷是同种电荷

C．M两端的感应电荷是异种电荷

D．M两端的感应电荷的电荷量相等

B　[M向P靠得越近，M中的自由电子受到P的排斥力越大，两端的感应电荷越多，根据电荷守恒定律，M两端将出现等量的异种电荷，B错误。]

图甲是古老的摩擦起电机，图乙是感应起电机。结合图片，思考：

甲　　　　　　　　　乙

(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？

提示：(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不能自由移动。

1．过程及现象

(1)取一对用绝缘支柱支持的金属导体A、B，使它们彼此接触。起初它们不带电，贴在它们下面的金属箔是闭合的，如图甲所示。

(2)带正电荷的球C移近导体A，可以看到A、B上的金属箔都张开了，这表示A、B上都带了电荷，如图乙所示。

(3)如果把A、B分开，然后移去C，可以看到A和B仍带有电荷，如图丙所示。

(4)让A、B接触，金属箔就不再张开，表明它们不再带电了。这说明A、B所带的电荷是等量的，互相接触时，等量的正、负电荷发生了中和。

甲　　　　　乙　　　　　丙

感应起电

2．感应起电的本质

在导体C上的电荷作用下，导体A、B上的自由电荷发生定向移动，由B端移至A端，从而引起A端带负电，B端带正电，此时若将A、B分离，导体A、B则成为带等量异种电荷的带电体。

【例1】　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的金属球。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，则下列结论正确的有(　　)

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

思路点拨：(1)由于静电感应A端带正电，B端带负电。

(2)因为是原先不带电的导体，所以电荷守恒，总有QA与QB之和恒定。

D　[静电感应使得A部分带正电，B部分带负电。导体原来不带电，只是在C的电荷的作用下，导体中的自由电子向B部分移动，使B部分有了多余的电子而带负电，A部分缺少了电子而带正电。A部分失去的电子数目和B部分多余电子的数目是相等的，因此无论从哪一条虚线切开，两部分的电荷总量总是相等的。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。越靠近右端，负电荷密度越大；越靠近左端，正电荷密度越大。所以从不同位置切开时，导体的带电荷量的值是不同的。故D正确。]

分析感应起电问题时的三点提醒

(1)明确带电体与感应起电的导体。

(2)弄清楚导体靠近带电体的一端和远离带电体的另一端，近端感应出异种电荷，远端感应出同种电荷。

(3)注意拿走物体的顺序，若保持带电体不动，先分开导体的靠近端和远离端，再移走带电体，则靠近端带异种电荷，远离端带同种电荷。若先移走带电体，则导体上的电荷会立即中和，不再带电。

1．(多选)如图所示，有一带正电的验电器，当一金属球A靠近验电器的小球B(不接触)时，验电器的箔片张角减小，则(　　)

A．金属球可能不带电

B．金属球可能带负电

C．金属球可能带正电

D．金属球一定带负电

AB　[验电器的箔片之所以张开，是因为它们都带了正电荷。张开的角度取决于带电荷量的多少。张角减小，说明箔片上的正电荷减少，A球与B球无接触，肯定发生的是静电感应。A球不带电时，由于静电感应A球靠近B球的一端带负电荷，同理，A球反过来感应B球，使B球上的正电荷增多，箔片上的正电荷减少，从而张角减小；若A球带负电，可达到同样的效果；若A球带正电，则正好相反，使张角增大，所以A、B正确。]

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形成了下列观点，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。

提示：正确的观点为③④，因电荷不会消失，电荷在转移过程中是守恒的。

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，最早是由美国科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，不是某种电荷，也没有正负，更不是物质。不能说电子或质子是元电荷，因为电子和质子是实实在在的粒子(虽然其所带电荷量的绝对值为一个元电荷)。

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。

【例2】　甲、乙两个原来不带电荷的物体相互摩擦(没有第三者参与)，结果发现甲物体带了1.6×10－15 C的电荷量(正电荷)，下列说法正确的是(　　)

A．乙物体也带了1.6×10－15 C的正电荷

B．甲物体失去了104个电子

C．乙物体失去了104个电子

D．甲、乙两物体共失去了2×104个电子

思路点拨：(1)没有第三者参与时，甲、乙两物体的总电荷量不变。

(2)物体的带电荷量为物体失去或得到电子的总电荷量。

B　[甲、乙两个物体相互摩擦，甲带1.6×10－15 C的正电荷，那么由电荷守恒定律可知，乙应带1.6×10－15 C的负电荷，即甲失去了104个电子，乙得到了104个电子，所以B正确。]

1同一物体与不同物体摩擦是失去电子还是得到电子，取决于相互摩擦的两物体的原子核对电子束缚能力的相对强弱。

2任何起电方式都是电荷的转移，在同一隔离系统中正、负电荷的代数和不变。

训练角度1：对元电荷的认识

2．(多选)科学家在研究原子、原子核及基本粒子时，为了方便，常常用元电荷作为电荷量的单位，关于元电荷，下列论述正确的是  (　　)

A．电子和质子都是元电荷

B．一个带电体的电荷量为元电荷的205.5倍

C．元电荷是最小的电荷量单位

D．元电荷没有正负之分

CD　[元电荷是最小的电荷量单位，而不是带电粒子，带电体的电荷量均为元电荷的整数倍，元电荷没有正负之分，故C、D正确。]

训练角度2：对电荷守恒定律的理解

3．关于电荷守恒定律，下列叙述不正确的是  (　　)

A．一个物体所带的电荷量总是守恒的

B．在与外界没有电荷交换的情况下，一个系统所带的电荷量总是守恒的

C．在一定的条件下，一个系统内的等量的正、负电荷即使同时消失，也并不违背电荷守恒定律

D．电荷守恒定律并不意味着带电系统一定和外界没有电荷交换

A　[根据电荷守恒定律，单个物体所带电荷量是可以改变的，在与外界没有电荷交换的情况下，一个系统所带的电荷量总是守恒的，若一个系统内的等量的正、负电荷同时消失，并不违背电荷守恒定律，电荷守恒定律并不意味着带电系统一定和外界没有电荷交换，故A错误，B、C、D正确。]

1．两个物体分别带有电荷   (　　)

A．它们之间的静电力一定是引力

B．它们之间的静电力一定是斥力

C．如果它们带的是同种电荷，它们之间的静电力一定是引力

D．如果它们带的是异种电荷，它们之间的静电力一定是引力

D　[根据同种电荷相排斥，异种电荷相吸引，如果它们带的是异种电荷，它们之间的静电力一定是引力，D正确。]

2．关于摩擦起电和感应起电的实质，下列说法正确的是(　　)

A．摩擦起电说明通过做功可以创造电荷

B．摩擦起电说明电荷可以创造

C．感应起电说明电荷可以从物体的一部分转移到物体的另一部分

D．感应起电说明电荷从带电的物体转移到原来不带电的物体上去了

C　[摩擦起电的实质是电子从一个物体转移到另一个物体，即说明了电荷可以从一个物体转移到另一个物体，而电荷的总量是不变的，故A、B错误；感应起电过程电荷在电场力作用下，从物体的一部分转移到另一部分，故C正确，D错误。]

3．如图是伏打起电盘示意图，其起电原理是(　　)

甲　　   　乙　   　　丙　  　　丁

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　[导电平板靠近带电的绝缘板并接地时，导电平板由于静电感应，使导电平板带上负电荷，故选项B正确。]

4．(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

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；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对；在摩擦起电过程中，得失电子数目是相等的，根据电荷守恒定律，M带正电荷2.72×10－9 C，则N一定带负电荷2.72×10－9 C，C对；M失去的电子数为n＝＝个＝1.7×1010个，D对。]

5．情境：干燥的天气一个人脱了鞋在地毯上走，身上聚集了－4.8×10－5C的电荷。

问题：若电子质量me＝9.1×10－31kg，电子电荷量e＝－1.6×10－19C。则：

(1)多少个电子的电荷量等于－3.2×10－5C?

(2)此人身上有多少个剩余电子？

(3)他的质量增加了多少？

[解析]　(1)每个电子电荷量为e＝－1.6×10－19 C，

则－3.2×10－5C的电荷量需要的电子为

n＝＝2×1014个。

(2)此人身上有电子为

n′＝＝3×1014个。

(3)电子质量me＝9.1×10－31 kg，

所以他的质量增加m＝3×1014×9.1×10－31 kg＝2.73×10－16 kg。

[答案]　(1)2×1014个　(2)3×1014个　(3)2.73×10－16 kg