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第一章 静 电 场1电荷及其守恒定律
1.电荷及相互作用:(1)两种电荷:自然界只有两种电荷:用丝绸摩擦过的玻璃棒带_______,用毛皮摩擦过的橡胶棒带_______。(2)相互作用:同种电荷相互_____,异种电荷相互_____。正电荷负电荷排斥吸引
(2)原子呈电中性:原子核内所带的正电荷量与核外电子的负电荷量_____。相同
3.三种起电方式:任务驱动1.物体带正电时物体内没有负电荷吗?2.通过什么方式能使物体带电?
提示:1.物体带正电时,物体内有电子转移,正电荷多于负电荷。2.使物体带电的方式有摩擦起电、接触带电和感应起电三种。
4.电荷守恒定律:任务驱动 三种起电方式的本质是什么?提示:电荷的转移。
电荷既不会_____,也不会_____,它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;在转移过程中,电荷的总量_________。创生消灭保持不变
5.电荷守恒定律现在的表述:一个与外界没有_________的系统,电荷的代数和_________。6.元电荷:(1)电荷量:电荷的多少叫作_______,在国际单位制中,电荷量的单位是_____,符号是C。电荷交换保持不变电荷量库仑
(2)元电荷: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,电荷量是不能_________的物理量。连续变化
(3)比荷:_______与_____之比。电子的比荷:=__________C/kg。电荷量质量1.76×1011
主题一 起电方式【问题探究】探究点1摩擦起电现象用丝绸摩擦玻璃棒,用毛皮摩擦橡胶棒,然后用摩擦过的玻璃棒和橡胶棒分别去接触碎纸屑。
(1)在此情景中,能观察到什么现象?应怎样解释?提示:摩擦过的玻璃棒和橡胶棒都能吸引碎纸屑;原因是用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶棒都带了电,带电体能吸引轻小物体,故摩擦过的玻璃棒和橡胶棒都能吸引碎纸屑。
(2)你知道玻璃棒和橡胶棒带电的区别吗?提示:玻璃棒带正电,橡胶棒带负电。
探究点2感应起电现象如图所示,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使带电体C靠近相互接触的两导体A、B。②保持C不动,用绝缘工具分开A、B。③移走C。
(1)在此情景中,把带正电的物体C移近导体A,金属箔有什么变化?提示: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)在此情景中,把A和B分开,然后移去C,金属箔又有什么变化?提示: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)在此情景中,再让A和B接触,又会看到什么现象?提示: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。
(4)由此情景思考,是否只有当带电体与验电器的金属球接触时,金属箔片才会张开?金属箔片张开的原理是什么?
提示:不是。带电体接触验电器的金属球时,电荷转移到验电器上,是接触带电。当带电体靠近金属球时,金属球一端就会聚集与带电体电性相反的电荷,而金属箔片就会聚集与带电体电性相同的电荷,从而张开,此现象实质上属于静电感应现象。
【探究总结】三种起电方式的比较方式内容摩擦起电感应起电接触起电产生条件两不同绝缘体摩擦时导体靠近带电体时导体与带电体接触时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
方式内容摩擦起电感应起电接触起电原因不同物质的原子核对核外电子的束缚力不同而发生电子得失导体中的自由电子受带正(负)电荷的物体吸引(排斥)而靠近(远离)自由电荷在带电体与导体之间发生转移举例摩擦后的毛皮与橡胶棒分别带正电荷和负电荷放于带电体旁的导体两端带有等量异种电荷验电器的工作原理实质均为电荷在物体之间或物体内部转移并未产生电荷
【典例示范】如图所示,左边是一个原先不带电的导体,右边C是后来靠近的带正电的导体球,若用绝缘工具沿图示某条虚线将导体切开,分导体为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QA>QBB.只有沿虚线b切开,才有A带正电,B带负电,且QA=QBC.沿虚线a切开,A带正电,B带负电,且QA<QBD.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
【解析】选D。由题意可知,静电感应现象使得A带正电,B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部分多带了电子而带负电;A部分少了电子而带正电。根据电荷守恒可知,A部分转移的电子数目和B部分多余的电子数目是相同的,但由于电荷之间的作用力与距离有关,距离越小,作用力越大,因此更多的电子容易转移到最接近C的
位置,导致电子在导体上分布不均匀,从B端到A端,电子分布越来越稀疏,所以从不同位置切开时,QA、QB的值不同。故只有D正确,A、B、C错误。
【探究训练】1.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
【解析】选B。导电平板靠近带电绝缘板并接地时,发生静电感应,使导电平板带上负电荷,故选项B正确。
2.(多选)(2019·榆林高二检测)如图所示为科技馆里一个趣味体验项目的简化图,核心装置为一个金属球,在干燥的空气里,体验者双脚站在绝缘凳上,右手按在金属球上,并远离周围其他物体。一条特殊传送带(图中未画出)给金属球不断地输送电荷,过一段时间后,体验者的头发便会四处散开,甚至倒立,十分有趣,在此状态下,下列分析正确的是()
A.若用左手也去摸金属球,会被电击B.若用左手与旁边的观众握手,会被电击C.若右手离开金属球,则头发会立刻恢复常态D.若右手离开金属球而且走下绝缘凳,头发会立刻恢复常态
【解析】选B、D。若用左手也去摸金属球,不会有电流产生,不会被电击,选项A错误;若用左手与旁边的观众握手,会发生放电现象而被电击,选项B正确;若右手离开金属球,电荷不会转移,则头发仍然四处散开,选项C错误;若右手离开金属球而且走下绝缘凳,则电荷将进入大地,人体将不再带电,头发会立刻恢复常态,选项D正确。
主题二 电荷守恒定律 元电荷【问题探究】探究点1电荷守恒定律情景1:如图甲所示,在真空中,把一个绝缘导体向带负电的球P慢慢靠近。绝缘导体两端的电荷如图所示。
情景2:如图乙所示,当一个带电体和另一个不带电的物体接触时,不带电的物体也带上了同种电荷。试结合上述两种情景,讨论下列问题:(1)请根据情景1,解释感应起电的本质。
提示: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,使导体两端带上等量异种电荷,故感应起电的本质是电子的转移,是从物体的一部分转移到另一部分。
(2)请根据情景2思考,为什么不带电的物体也带上了同种电荷?当两个带异种电荷的导体接触时,会发生电荷中和现象,中和的电荷是不是消失了?
提示:①不带电的物体也带上了同种电荷,其原因是两物体之间发生电荷转移。②不是。所谓“中和”是指两个带等量异种电荷的导体相互接触时,由于正、负电荷间的吸引作用,电荷发生转移,最后达到中性状态的一个过程。
探究点2元电荷问题1:物体的带电荷量可以是任意的吗?带电荷量可以是4×10-19C吗?答案:物体的带电荷量不是任意的,它只能是1.60×10-19C的整数倍。由于4×10-19C是1.60×10-19C的2.5倍,所以带电荷量不能是4×10-19C。
问题2:电子和质子就是元电荷吗?答案:元电荷是电荷量的单位,不是物质;电子和质子是实实在在的粒子。
【探究总结】1.对电荷转移及电荷守恒定律的四点理解:(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.接触起电现象中电荷量的分配:(1)导体接触带电时电荷量的分配与导体的形状、大小有关。完全相同的导体接触时,电荷量平均分配;形状、大小不同的导体接触时电荷量不能平均分配。无论哪种情况,接触前后电荷总量不变。
(2)完全相同的导体接触时电荷量的分配情况:①若为带电导体和不带电导体接触,则电荷平分。②若两个带电导体带同种电荷,则总电荷平分。③若两个带电导体带异种电荷,则先中和再平分。
3.电荷与元电荷:(1)所有带电体的带电荷量或者等于e,或者是e的整数倍。(2)质子和电子所带电荷量与元电荷相等,但不能说电子和质子是元电荷。
【典例示范】如图所示,A、B为相互接触的用绝缘支柱支持的金属导体,起初它们不带电,C是带正电的小球,当其移近导体A后,分开A和B,之后移去C,最终A带上了-1×10-8C的电荷,下列关于电荷转移情况正确的是()
A.从A到B转移了6.25×1010个正电荷B.从A到B转移了1.25×1011个正电荷C.从B到A转移了6.25×1010个电子D.从B到A转移了1.25×1011个电子
【解题指南】解答本题时应明确以下两点:(1)金属导电机理是其内部有自由移动的电子,而带正电的离子不能自由移动。(2)带电体的电荷量是元电荷e=1.6×10-19C的整数倍。
【解析】选C。由于A、B都是金属导体,可移动的电荷是自由电子,A带上负电荷的原因,是电子由B移动到A,其中转移的电子数为n==6.25×1010(个)。这样B失去n个电子,带上1×10-8C正电,A得到n个电子,带上1×10-8C负电。故只有C正确。
【探究训练】1.(多选)关于元电荷,下列说法中正确的是()A.元电荷实质上是指电子和质子本身B.所有带电体的电荷量一定等于元电荷的整数倍C.元电荷的值通常取e=1.60×10-19CD.电荷量e的数值最早是由美国物理学家密立根用实验测得的
【解析】选B、C、D。所有带电体的电荷量或者等于e,或者是e的整数倍,这就是说,电荷是不能连续变化的物理量,电荷量e的数值最早是由美国物理学家密立根用实验测得的,由以上分析可知选项B、C、D正确。
2.如图所示,通过调节控制电子枪产生的电子束,使其每秒有104个电子到达收集电子的金属瓶,经过一段时间,金属瓶上带有-8×10-12C的电荷量,求:(1)金属瓶上收集到多少个电子?(2)实验的时间为多长?
【解析】(1)金属瓶上收集的电子数目为:N===5×107(个)(2)实验的时间t=s=5000s答案:(1)5×107个(2)5000s
【课堂小结】
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