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1　电荷
素养 目标定位
目标素养
1.通过分析摩擦起电和带电体间的相互作用现象,知道自然界存在两种电荷;知道电荷量的概念及其国际单位,从而形成物理观念
2.会用原子结构模型解释摩擦起电的原因,观察并分析静电感应现象,进一步提高应用物理模型解释现象的能力
3.通过不同起电方式的分析得出电荷守恒定律,理解电荷守恒定律,体会守恒观念对认识物理规律的重要性
4.知道元电荷的概念,知道电荷量是不连续的
知识概览
课前 基础认知
一、电荷
1.自然界的两种电荷: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:电荷的多少叫作电荷量,用Q表示,有时也可以用q来表示。在国际单位制中,它的单位是库仑,简称库,符号是C。正电荷的电荷量为正值,负电荷的电荷量为负值。
3.摩擦起电及其原因。
(1)定义:由于摩擦而使物体带电的方式。
(2)原因:当两种物质组成的物体互相摩擦时,一些受束缚较弱的电子会转移到另一个物体上。于是,原来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正电。
4.物质的微观结构。
(2)原子电性:原子中质子的正电荷数量与电子的负电荷数量一样多,整个原子对外界表现为电中性。
(3)自由电子:金属中原子的外层电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由运动,这种电子叫作自由电子。
失去自由电子的原子成为带正电的离子,每个正离子都在自己的平衡位置附近振动而不移动,只有自由电子穿梭其中。
(4)导体与绝缘体:导体(如金属、地球、人等)中存在大量的自由电荷;绝缘体(如橡胶、塑料等)中几乎不存在自由移动的电荷。
微思考1 用塑料尺在头发上摩擦几下,塑料尺就有了“魔力”,它可以吸引纸屑等轻小物体了,为什么
提示:摩擦之后,塑料尺带上了“电”,因此具有了吸引轻小物体的特性。
二、静电感应
1.概念:当一个带电体靠近导体时,由于电荷间相互吸引或排斥,因此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。这种现象叫作静电感应。
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。
微训练如图所示,A、B为互相接触的用绝缘支柱支撑的金属导体, 起初它们不带电,在它们的下部贴有金属箔片;C是带正电的小球。
(1)把C移近导体A时,A、B下部的金属箔片都会张开吗
(2)把C移近导体A,然后把A、B分开,再移走C,A、B下部的金属箔片还张开吗
提示:(1)都张开,A、B带等量异种电荷。(2)A、B下部的金属箔片还张开。把C靠近A后,将A、B分开,再移走C,A、B仍带等量异种电荷。
三、电荷守恒定律
两种表述:
1.电荷既不会创生,也不会消灭,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,电荷的总量保持不变。
2.一个与外界没有电荷交换的系统,电荷的代数和保持不变。
微思考2 近代物理实验发现,一个高能光子(不带电)在一定条件下可以产生一个正电子和一个负电子。一对正、负电子可以同时湮灭,转化为光子,是否可以认为在正、负电子湮灭的过程中不再满足电荷守恒定律
提示:不可以。在正、负电子产生和湮灭的过程中,正、负电子总是成对产生或湮灭,正、负电子的电荷量相等但电性相反,而光子不带电,所以电荷的代数和仍然不变。因此仍满足电荷守恒定律。
四、元电荷
1.定义:实验发现的最小电荷量就是电子所带的电荷量,这个最小的电荷量叫作元电荷,用e表示。
2.所有带电体的电荷量都是e的整数倍,电荷量是不能连续变化的物理量。
3.元电荷的大小:e=1.602 176 634×10-19 C,在计算中通常取e=1.60×10-19 C。
4.电子的比荷:电子的电荷量e与电子的质量me之比,其值
=1.76×1011 C/kg。
微判断(1)电子和质子都是元电荷。(　　)
(2)一个带电体的电荷量为元电荷的205.5倍。(　　)
(3)元电荷是最小的电荷量。(　　)
(4)元电荷没有正、负之分。(　　)
×
×
√
√
课堂 重难突破
一 三种起电方式的比较
下列三幅图分别表示使物体带电的方式,根据图片探究:
探究1:图甲、图乙、图丙分别代表哪种起电方式 起电的实质是什么
探究2:两个绝缘体发生摩擦为什么会带上电荷
探究3:感应起电能发生在绝缘体上吗 原因是什么
问题探究
提示:探究1:图甲是摩擦起电,图乙是接触起电,图丙是感应起电。起电的实质是相互作用的物体间或同一物体的不同部分间电子的转移。
探究2:两个绝缘体摩擦时,其中束缚电子能力较弱的物体失去电子,另一个物体得到电子,分别带上了正、负电荷。
探究3:感应起电不会发生在绝缘体上,因为绝缘体中几乎不存在能自由移动的电荷。
归纳总结
1.三种起电方式的比较。
比较项 摩擦起电 接触起电 感应起电
产生
条件 两种不同物质构成的绝缘体相互摩擦 导体与带电体接触 带电体靠近导体
实验 毛皮摩擦橡胶棒 带电体接触验电器 带电体靠近验电器


比较项 摩擦起电 接触起电 感应起电
现象 两物体带上等量异种电荷 验电器带上与带电体相同电性的电荷 验电器两端出现等量异种电荷,且电性与原带电体“近异远同”
起电
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 由于电荷之间的相互作用,接触时发生电荷转移 导体中的自由电荷受带正(负)电物体吸引(排斥)而靠近(远离)带电体
起电
实质 均为自由电荷在物体之间或物体内部的转移
2.感应起电中的导体接地问题。
(1)无论导体哪一端接地,该导体都带上与带电体电性相反的电荷。
(2)导体接地时,整个导体相当于近端,大地成为远端,此时导体带上了与附近带电体电性相反的电荷。
(3)不要误认为导体接地后就一定把接地端的电荷导向大地,金属导体中,正电荷是不能移动的,但可以被中和。
3.感应起电的操作步骤。
(1)①靠近:使带电体C(假设带正电)靠近相互接触的两导体A、B,A为近端,如图甲所示。
②分开:保持C不动,用绝缘工具分开A、B,如图乙所示。
③移走:移走C,则A带负电,B带正电,如图丙所示。
④分析结果:
a.感应起电应在干燥的环境中进行,且操作步骤应正确。在操作中若先移走C,再分开A、B,则A、B不带电,因为A、B感应出来的异种电荷会立即全部中和。
b.A、B带等量异种电荷。
c.靠近带电体的导体端与带电体带异种电荷,远离带电体的导体端与带电体带同种电荷,简述为“近异远同”。
(2)感应起电也可按下面步骤进行,如图所示。
①将一个带电体A靠近导体球B。
②用手接触一下B,再将手拿开,相当于将B接地,再与地断开。
③移去A,则这时B带上了和A异种的电荷。
典型例题
角度1　对摩擦起电的理解
【例1】 (多选)用棉布分别与丙烯塑料板和乙烯塑料板摩擦,实验结果如图所示。由此对摩擦起电的说法正确的是(　　)
A.两个物体摩擦时,表面粗糙的易失去电子
B.两个物体摩擦起电时,一定同时带上种类
不同且数量不相等的电荷
C.两个物体摩擦起电时,带上电荷的种类不同但数量相等
D.同一物体与不同种类物体摩擦,物体所带电荷的种类可能不同
答案:CD
解析:两个物体摩擦时得、失电子取决于原子核对电子的束缚力大小,选项A错误。由于摩擦起电的实质是电子的得失,因此两物体带电荷种类一定不同,但数量相等,选项B错误,C正确。由题中例子不难看出,同一物体与不同种类物体摩擦,物体所带电荷的种类可能不同,选项D正确。
角度2　对感应起电的理解
【例2】 如图所示,取一对用绝缘柱支持的不带电导体A和B,使它们彼此接触,小明用绝缘棒把带正电荷的物体C移近导体A,发现贴在A、B下部的金属箔都张开,下列说法正确的是
(　　)
A.此时A和B都带正电荷
B.此时A带正电荷,B带负电荷
C.若导体A与大地通过导线相连接,最终A带负电
D.若导体B与大地通过导线相连接,最终A带正电
答案:C
解析:带正电的物体C靠近A时,由于静电感应,A带上负电,B带上正电,因此金属箔都张开,选项A、B错误。若导体A与大地通过导线相连接,远端为大地,A为近端,则A带负电,选项C正确。若导体B与大地通过导线相连接,远端为大地,A为近端,则A带负电,选项D错误。
二 元电荷　电荷守恒定律
问题探究
探究以下问题:
探究1:在摩擦起电的过程中,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
探究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
探究3:电子和质子就是元电荷吗
提示:探究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。
探究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不是1.60×10-19 C的整数倍,因此物体所带的电荷量不能是4×10-19 C。
探究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。
归纳总结
1.对元电荷的理解。
(1)元电荷e是自然界存在的最小电荷量,最早是由美国物理学家密立根用实验测得的。
(2)元电荷作为电荷量的最小单位,是物理学的基本常量之一,且e=1.60×10-19 C。
(3)元电荷只是单位电荷量的数值,不是某种电荷,也没有正、负,更不是物质。
(4)电子或质子都不是元电荷,因为电子和质子是实实在在的粒子,只是它们所带电荷量为一个元电荷。
2.电荷守恒定律的理解与应用。
(1)电荷守恒定律的适用条件:既适用于宏观过程(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)物体带电的实质:使物体带电不是创造了电荷,使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,均遵守电荷守恒定律。
(3)电荷的总量:电荷的代数和。
(4)“中性”与“中和”的理解。
①中性: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。
②中和:两个带有等量异种电荷的带电体相遇达到电中性的过程。
3.接触起电中电子转移的规律。
(1)带正电荷的导体与带负电荷的导体接触,电子由带负电荷的导体转移到带正电荷的导体上。
(2)带正电荷的导体与不带电的中性导体接触,电子由中性导体转移到带正电荷的导体上。
(3)带负电荷的导体与不带电的中性导体接触,电子由带负电荷的导体转移到中性导体上。
4.应用电荷守恒定律分析接触起电现象中电荷量的分配。
(1)当导体接触起电时,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一般不能平均分配。无论哪种情况,接触前后电荷总量不变。
(2)完全相同的金属球接触起电时电荷量的分配情况。
若带同种电荷 金属球相接触 总电荷量平分若带异种电荷 金属球相接触 总电荷量先中和再平分
典型例题
【例3】 有两个完全相同的金属球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
答案:均为1.6×10-9 C　自由电子由B向A转移　3.0×1010个
【例4】 有三个完全相同的金属小球A、B、C,其中小球A带有3×10-3 C的正电荷,小球B带有-2×10-3 C的负电荷,小球C不带电。先将小球C与小球A接触后分开,再将小球B与小球C接触然后分开,试求这时三个小球的带电荷量分别为多少
答案:1.5×10-3 C　-2.5×10-4 C　-2.5×10-4 C
成果验收站
1.下图是伏打起电盘的示意图,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
答案:B
解析:导电平板靠近带电的绝缘板并接地时,由于静电感应,导电平板带上负电荷,故选项B正确。
2.(多选)下列说法正确的是(　　)
A.元电荷就是中子
B.所有带电体带的电荷量一定等于元电荷的偶数倍
C.元电荷的值通常取e=1.60×10-19 C
D.元电荷的数值最早是由美国物理学家密立根用实验测得的
答案:CD
解析:元电荷的值通常取e=1.60×10-19 C,元电荷的数值最早是由美国物理学家密立根用实验测得的,所有带电体带的电荷量一定等于元电荷的整数倍,元电荷是最小的电荷量,不是中子,选项A、B错误,C、D正确。
3.下列关于物体带电的说法正确的是(　　)
A.静电感应不是创造电荷,只是自由电荷从物体的一部分转移到另外一部分
B.摩擦起电前,两物体都不带电,说明两物体内都没有电荷
C.摩擦起电时,一个物体得到一些电子而带正电,另一个物体失去一些电子而带负电
D.一个带电物体跟一个不带电物体接触,两物体可能带上异种电荷
答案:A
解析:不管哪种起电方式,都不能创造电荷,带电的本质都是自由电荷从一个物体转移到另一个物体或从物体的一部分转移到另一部分,在起电过程中,失去电子的物体带正电,得到电子的物体带负电,电荷仍是守恒的,选项A正确,C错误;两个相互摩擦的物体,摩擦前不带电,是因为每个物体内正、负电荷的数量都相等,物体呈电中性,选项B错误;接触起电时,两个物体带同种电荷,选项D错误。
4.(多选)如图所示,有一带正电荷的验电器,当一金属球A靠近验电器的小球B时,验电器金属箔张角减小,则金属球A(　　)
A.可能不带电 B.可能带负电
C.可能带正电 D.一定带负电
答案:AB
解析:金属球A靠近验电器小球B时,验电器金属箔张角减小,说明小球B上的部分电子转移到了金属箔上,故金属球A可能带负电,吸引正电荷,排斥电子,也可能是金属球A不带电,发生静电感应,近端感应出负电荷,小球B上的电子被排斥到金属箔一端,选项A、B正确。
5.绝缘细线上端固定,下端挂一轻质球a,a的表面镀有铝膜;在a旁有一金属球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
答案:B
解析:b球带电后,使a产生静电感应,感应的结果是a靠近b的一侧出现与b异种的感应电荷,远离b的一侧出现与b同种的感应电荷。虽然a上的感应电荷等量异号,但因为异种电荷离b更近,所以b对a的静电力表现为引力。当b吸引a使两者接触后,由于接触带电,b、a便带同种电荷,有斥力作用,因而又把a排斥开,所以选项B正确。
6.有三个完全相同的金属小球A、B、C,其中小球A带有2.0×10-5 C的正电荷,小球B、C不带电。现在先让小球C与小球A接触后分开,再让小球B与小球A接触后分开,最后让小球B与小球C接触后分开,最终三球的电荷量分别为
qA=　　　 C,qB=　　　　 C,qC=　　　　 C。
答案:5×10-6　7.5×10-6　7.5×10-6

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