物理 電荷及其守恒定律

物理選修3-1·人教版新課標(biāo)導(dǎo)學(xué)第一章靜電場(chǎng)〔情

景

切

入〕電閃雷鳴，是一種常出現(xiàn)在暴風(fēng)雨中的自然現(xiàn)象，它是那樣的神秘，來(lái)去匆匆，稍縱即逝。它給人們帶來(lái)甘霖，同時(shí)也給人們帶來(lái)恐懼。幾千年以來(lái)，人們一直想探究其中的奧秘，更想將它駕馭于手中。美國(guó)科學(xué)家富蘭克林就曾冒著生命危險(xiǎn)，嘗試用風(fēng)箏去捕捉雷電。雷電是怎樣形成的？物體帶電是怎么回事？電荷有哪些特性？電荷間的相互作用遵從什么規(guī)律？人類應(yīng)該怎樣利用這些規(guī)律？……這些問(wèn)題正是本章要探究并做出解答的知識(shí)。〔知

識(shí)

導(dǎo)

航〕本章是高中階段電學(xué)內(nèi)容的開(kāi)始，在整個(gè)高中物理知識(shí)體系中具有承上(力學(xué))啟下(電磁學(xué))的重要位置。本章知識(shí)在結(jié)構(gòu)上可以分為三個(gè)單元：1～3節(jié)為第一單元，主要學(xué)習(xí)電學(xué)中兩個(gè)最基本的定律——電荷守恒定律和庫(kù)侖定律，學(xué)習(xí)描述電場(chǎng)力的性質(zhì)的物理量——電場(chǎng)強(qiáng)度；4～6節(jié)為第二單元，學(xué)習(xí)描述電場(chǎng)能的性質(zhì)的物理量——電勢(shì)、電勢(shì)差，電勢(shì)差與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系；7～8節(jié)為第三單元，主要學(xué)習(xí)電場(chǎng)知識(shí)的應(yīng)用——電容器、電容，帶電粒子在電場(chǎng)中的加速和偏轉(zhuǎn)，還簡(jiǎn)單介紹了靜電現(xiàn)象在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用?！矊W(xué)

法

指

導(dǎo)〕1．要重視對(duì)基本概念、基本規(guī)律的理解。基本概念多且抽象是這一章的突出特點(diǎn)。在學(xué)習(xí)中要重視對(duì)物理現(xiàn)象的深入觀察和對(duì)物理規(guī)律的親身體驗(yàn)，例如課本的“說(shuō)一說(shuō)”“做一做”“靜電感應(yīng)”“電容器的電容”等，經(jīng)過(guò)深入觀察和親身體驗(yàn)后，物理知識(shí)不僅容易領(lǐng)悟而且印象深刻。2．要重視科學(xué)研究方法的學(xué)習(xí)。本章中涉及許多重要的研究方法，例如理想化物理模型——點(diǎn)電荷、電場(chǎng)線、等勢(shì)面等；比值法定義物理量——電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)及電容器的電容等概念；類比方法的運(yùn)用——電場(chǎng)與重力場(chǎng)有許多相似之處，電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能的變化關(guān)系和重力做功與重力勢(shì)能的變化關(guān)系也有相似之處。這些方法需要認(rèn)真地體會(huì)和理解，以提高認(rèn)知的境界。3．理清本章分析問(wèn)題的兩個(gè)角度。一是電場(chǎng)力的性質(zhì)——從電荷在電場(chǎng)中受力的角度研究，側(cè)重于利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析處理問(wèn)題。二是電場(chǎng)能的性質(zhì)——從電場(chǎng)力做功使能量變化的角度研究，側(cè)重于利用功能關(guān)系、能量守恒分析處理問(wèn)題。1電荷及其守恒定律素養(yǎng)目標(biāo)定位※知道自然界中只有兩種電荷，知道電荷間的相互作用規(guī)律※知道元電荷的概念，認(rèn)識(shí)各種起電方法及實(shí)質(zhì)※理解電荷守恒定律的內(nèi)容素養(yǎng)思維脈絡(luò)1課前預(yù)習(xí)反饋2課內(nèi)互動(dòng)探究3核心素養(yǎng)提升4課內(nèi)隨堂達(dá)標(biāo)5課后課時(shí)作業(yè)課前預(yù)習(xí)反饋1．兩種電荷自然界中只存在兩種電荷，即______電荷和______電荷。(1)正電荷：用絲綢摩擦過(guò)的__________所帶的電荷叫做正電荷。(2)負(fù)電荷：用毛皮摩擦過(guò)的__________所帶的電荷叫做負(fù)電荷。2．相互作用同種電荷相互________，異種電荷相互________。知識(shí)點(diǎn)1電荷及相互作用正負(fù)玻璃棒橡膠棒排斥吸引正電負(fù)電相等電中性1．接觸起電指一個(gè)帶電的金屬導(dǎo)體跟另一個(gè)__________的金屬導(dǎo)體________后分開(kāi)，而使不帶電的導(dǎo)體帶上電荷的方式(如圖)。知識(shí)點(diǎn)2三種起電方式不帶電接觸2．摩擦起電兩個(gè)物體相互摩擦?xí)r，一些束縛不緊的________從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體上，使得原來(lái)呈電中性的物體由于得到________而帶負(fù)電，失去________的物體帶正電。(如圖)電子電子電子3．感應(yīng)起電(1)自由電子：金屬中離原子核________的能脫離原子核的束縛而在金屬中____________的電子。(2)靜電感應(yīng)：當(dāng)一個(gè)帶電體靠近導(dǎo)體時(shí)，由于電荷間相互________或________，導(dǎo)體中的自由電荷便會(huì)趨向或遠(yuǎn)離帶電體，使導(dǎo)體靠近帶電體的一端帶________電荷，遠(yuǎn)離帶電體的一端帶________電荷的現(xiàn)象。(3)感應(yīng)起電：利用____________使金屬導(dǎo)體帶電的過(guò)程(如圖)。較遠(yuǎn)自由活動(dòng)吸引排斥異種同種靜電感應(yīng)表述一：電荷既不會(huì)________，也不會(huì)________，它只能從物體的一部分轉(zhuǎn)移到____________，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到______________。在轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，電荷的總量____________。表述二：一個(gè)與外界沒(méi)有電荷交換的系統(tǒng)，電荷的代數(shù)和____________。知識(shí)點(diǎn)3電荷守恒定律創(chuàng)生消滅另一部分另一個(gè)物體保持不變保持不變知識(shí)點(diǎn)4元電荷庫(kù)侖C

電子1.6×10－19

密立根質(zhì)量1.76×1011

『判一判』(1)兩個(gè)正電荷之間的作用力為斥力，兩個(gè)負(fù)電荷之間的作用力為引力。

(

)(2)摩擦起電是創(chuàng)造電荷的過(guò)程。

(

)(3)玻璃棒和其他物體摩擦后不一定帶正電。

(

)(4)當(dāng)一個(gè)帶電體靠近導(dǎo)體時(shí)，產(chǎn)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象，導(dǎo)體靠近帶電體的一端帶異種電荷，遠(yuǎn)離帶電體的一端帶同種電荷。

(

)(5)電荷守恒定律和能量守恒定律一樣，也是自然界中最基本的守恒定律。

(

)(6)元電荷就是最小的電荷。

(

)思考辨析×

×

√

√

√

×

D

解析：筆套與頭發(fā)摩擦后，能夠吸引圓環(huán)，說(shuō)明筆套上帶了電荷，即摩擦使筆套帶電，選項(xiàng)A正確；筆套靠近圓環(huán)時(shí)，由于靜電感應(yīng)，會(huì)使圓環(huán)上、下部感應(yīng)出異種電荷，選項(xiàng)B正確；圓環(huán)被吸引到筆套上是由于圓環(huán)所受吸引力大于圓環(huán)所受的重力，故選項(xiàng)C正確；筆套碰到圓環(huán)后，筆套上的部分電荷轉(zhuǎn)移到圓環(huán)上，使圓環(huán)帶上相同性質(zhì)的電荷，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。『想一想』在干燥的天氣里，用梳子梳頭發(fā)的時(shí)候，頭發(fā)會(huì)不聽(tīng)指揮，順著梳子飛起來(lái)(如圖)，這時(shí)如果將梳子浸入水中片刻再梳，頭發(fā)就服帖了。試解釋這一現(xiàn)象。解析：梳頭發(fā)時(shí)由于摩擦起電，梳子和頭發(fā)上產(chǎn)生異種電荷，又由于異種電荷相互吸引，使得頭發(fā)順著梳子飛了起來(lái)。梳子浸入水中后再梳，潮濕的梳子能將頭發(fā)上的靜電導(dǎo)走，也就不再出現(xiàn)上面的現(xiàn)象。課內(nèi)互動(dòng)探究探究一電荷及起電方式如圖所示，在干燥的環(huán)境中，用絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒，慢慢靠近細(xì)碎的錫箔屑，會(huì)觀察到什么現(xiàn)象？請(qǐng)解釋所看到的現(xiàn)象。1提示：觀察到的現(xiàn)象是錫箔屑被吸引到玻璃棒上后又迅速向空中散開(kāi)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：帶電物體能夠吸引輕小物體，錫箔屑與玻璃棒接觸后帶上與玻璃棒相同性質(zhì)的電荷，同種電荷相互排斥，錫箔屑散開(kāi)。1．物體帶電物體有了吸引輕小物體的性質(zhì)，我們就說(shuō)它帶了電，或有了電荷。2．三種起電方式的比較方式內(nèi)容摩擦起電感應(yīng)起電接觸起電產(chǎn)生及條件兩不同絕緣體摩擦?xí)r導(dǎo)體靠近帶電體時(shí)導(dǎo)體與帶電導(dǎo)體接觸時(shí)現(xiàn)象兩物體帶上等量異種電荷導(dǎo)體兩端出現(xiàn)等量異種電荷，且電性與原帶電體“近異遠(yuǎn)同”導(dǎo)體上帶上與帶電體相同電性的電荷特別提醒：(1)感應(yīng)起電成功的關(guān)鍵在于先分開(kāi)兩物體(或先斷開(kāi)接地線)然后再移去帶電體。(2)摩擦起電中對(duì)原子核外電子束縛能力差的物體失去電子而帶正電，對(duì)原子核外電子束縛能力強(qiáng)的物體得到電子而帶負(fù)電。

如圖所示，均不帶電的橡膠棒與毛皮摩擦后，橡膠棒帶負(fù)電，毛皮帶正電，這是因?yàn)?/p>

(

)A．空氣中的正電荷轉(zhuǎn)移到了毛皮上B．空氣中的負(fù)電荷轉(zhuǎn)移到了橡膠棒上C．毛皮上的電子轉(zhuǎn)移到了橡膠棒上D．橡膠棒上的電子轉(zhuǎn)移到了毛皮上C

典例1解析：摩擦起電是因?yàn)殡娮佑梢粋€(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體上，失去電子的物體因缺少電子而帶正電，得到電子的物體帶負(fù)電。毛皮與橡膠棒摩擦，毛皮上的電子轉(zhuǎn)移到了橡膠棒上，毛皮帶正電，橡膠棒帶負(fù)電，故選項(xiàng)C正確。〔對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練1〕

(多選)(2019·北京四中高二上學(xué)期期中)如圖所示，兩個(gè)不帶電的導(dǎo)體A和B，用一對(duì)絕緣柱支持使它們彼此接觸。把一帶正電荷的物體C置于A附近，貼在A、B下部的金屬箔片都張開(kāi)，則

(

)A．此時(shí)A帶正電，B帶負(fù)電B．移去C，貼在A、B下部的金屬箔片將閉合C．先把A和B分開(kāi)，然后再移去C，貼在A、B下部的金屬箔片仍然張開(kāi)D．先把A和B分開(kāi)，然后再移去C，貼在A、B下部的金屬箔片將閉合BC

解析：C靠近A，由于靜電感應(yīng)A帶負(fù)電B帶正電，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；移去C，A、B上的感應(yīng)電荷立即中和，貼在A、B下部的金屬箔片將閉合，選項(xiàng)B正確；先把A、B分開(kāi)再移走C，因?yàn)锳、B上的感應(yīng)電荷受到C的作用力不能中和，金屬箔片仍然張開(kāi)，故選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。探究二電荷守恒定律某同學(xué)兩手各拿一帶電小球做實(shí)驗(yàn)時(shí)不小心兩小球接觸了一下，結(jié)果兩小球都沒(méi)電了！電荷到哪里去了呢？是否違背了電荷守恒定律？提示：電荷“中和”了，不違背電荷守恒定律。21．物體帶電的實(shí)質(zhì)使物體帶電不是創(chuàng)造了電荷，使物體不帶電也不是消滅了電荷。物體帶電的實(shí)質(zhì)是電荷發(fā)生了轉(zhuǎn)移，也就是物體間電荷的重新分配。2．守恒的廣泛性電荷守恒定律同能量守恒定律一樣，是自然界中最基本的規(guī)律，任何電現(xiàn)象都不違背電荷守恒定律。物體的起電過(guò)程，其本質(zhì)都是電子發(fā)生了轉(zhuǎn)移，也就是說(shuō)物體所帶電荷的重新分配。不論哪一種起電過(guò)程都沒(méi)有創(chuàng)造電荷，也沒(méi)有消滅電荷。3．“中性”與“中和”的理解(1)中性：物體內(nèi)有電荷存在，但正、負(fù)電荷的絕對(duì)值相等，對(duì)外不顯電性。(2)中和：兩個(gè)帶有等量異種電荷的帶電體相遇達(dá)到電中性的過(guò)程。

有兩個(gè)完全相同的帶電絕緣金屬小球A、B，分別帶有電荷量Q1＝6.4×10－9C，Q2＝－3.2×10－9C，讓兩絕緣金屬小球接觸。在接觸后，A、B帶電量各是多少？此接觸過(guò)程中，電子如何轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移了多少個(gè)電子？解題指導(dǎo)：(1)金屬球中發(fā)生定向轉(zhuǎn)移的是自由電子，兩球接觸時(shí)，自由電子由B向A轉(zhuǎn)移。(2)兩球接觸后帶電量相等、電性相同，電荷再分配時(shí)符合電荷均分原理。典例2答案：均為1.6×10－9C；電子由B球轉(zhuǎn)移到A球，轉(zhuǎn)移了3.0×1010個(gè)CD

解析：帶負(fù)電的驗(yàn)電器在潮濕的空氣中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，小球上的負(fù)電荷(電子)被潮濕的空氣導(dǎo)走了，但電荷在轉(zhuǎn)移的過(guò)程中仍然守恒，故C、D正確。核心素養(yǎng)提升誤區(qū)1：相互吸引的一定是帶異種電荷的物體。點(diǎn)撥：除了帶異種電荷的物體相互吸引之外，帶電體有吸引輕小物體的特性，這里的“輕小物體”可能不帶電。誤區(qū)2：兩個(gè)帶電體相互接觸后電荷量平分。點(diǎn)撥：并不是所有情況下接觸后電荷量都能夠進(jìn)行平分，電荷量平分只能在一種情況下滿足，那就是兩個(gè)相互接觸的物體必須是兩個(gè)完全相同的球體。誤區(qū)3：通過(guò)一定的方法可以使物體帶上任意大小的電量。點(diǎn)撥：①電荷量不能連續(xù)變化，因?yàn)樽钚〉碾姾闪繛?.60×10－19C。②質(zhì)