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第九章　静电场及其应用
第1节　电荷
核心要点 点点过
1
目录
即时演练 堂堂清
2
课时作业
3
课程要求 学科素养
通过实验,了解静电现象。能用原子结构模型和电荷守恒的知识分析静电现象 物理观念 知道电荷量、静电感应、元电荷、比荷的概念
科学思维 分析静电感应现象,进一步提高应用原子结构模型解释静电现象的能力
科学探究 通过观察静电感应现象体会静电感应的实质,利用验电器探究导体是否带电
科学态度 与责任 通过不同起电方式的分析养成观察、比较、归纳分析的良好习惯
核心要点 点点过
一、电荷
1.自然界中有两种电荷:__电荷和__电荷。
2.电荷间的相互作用:同种电荷相互____,异种电荷相互____。
3.电荷量:电荷的多少,用Q或q表示,国际单位制中的单位是____,符号是C。正电荷的电荷量为__值,负电荷的电荷量为__值。
要点一　电荷及三种起电方式
正
负
排斥
吸引
库仑
正
负
4.物质的微观结构
(1)原子结构
原子
每个原子中质子的正电荷数量与电子的负电荷数量一样多,整个原子呈______。
(2)自由电子和离子
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________。失去自由电子的原子便成为带正电的____。
电中性
自由电子
离子
(3)金属导电的原因
正离子在金属内部排列起来,它们都在自己的平衡位置附近振动而不移动,只有________穿梭其中,这就使金属成为导体。
5.摩擦起电及其原因
(1)摩擦起电:由于____而使物体带电的方式。用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电,用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电。
(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__电,失去电子的物体则带__电。
自由电子
摩擦
负
正
二、静电感应
1.静电感应现象: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____带电体,使导体靠近带电体的一端带____电荷,远离带电体的一端带____电荷,这种现象叫作静电感应。
2.感应起电:利用________使金属导体带电的过程。
远离
异种
同种
静电感应
图甲是古老的摩擦起电机,图乙是感应起电机。
结合图片,请思考:
(1)两个绝缘体发生摩擦为什么会带上电荷
提示: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)感应起电能发生在绝缘体上吗 原因是什么
提示: 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。
1.三种起电方法的比较
方式 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 摩擦起电 感应起电 接触起电
微观 解释 不同物质的原子核对核外电子的约束力不同,摩擦时会出现电子从一个物体转移到另一物体上的现象 导体中的自由电子受到带电体对它的排斥(或者吸引)作用,而移向导体的远端(或者近端) 电荷间的相互作用,使得自由电子在带电体和导体上转移,且重新分布
实质 均为自由电荷在物体之间或物体内部的转移
2.感应起电的分析
(1)当带电体靠近导体时,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,如图甲所示。
(2)导体接地时,该导体与地球可视为一个导体,而且该导体可视为近端导体,带异种电荷,地球就成为远端导体,带同种电荷,如图乙、丙所示。
说明:用手摸一下导体,再移开手指,相当于先把导体接地,然后再与大地断开。
【例1】　教学或生活中会有以下情景:①用毛巾反复摩擦PVC管和塑料细带,向上抛起细带,并将PVC管置于下方,可见细带在空中飘浮;②干燥的冬天,带负电的手靠近金属门锁时会被电击。下列说法正确的是 (　 　)
A.①中,PVC管与塑料细带带异种电荷
B.①中,毛巾与塑料细带摩擦时创造了电荷
C.②中,在靠近门锁但还未被电击过程中,门锁近手端感应出正电荷
D.②中,电击过程,门锁上的部分电子转移到手上
C
【解析】　①中,与毛巾摩擦后的PVC管、塑料细带带同种电荷,由于同种电荷相斥而使塑料细带飘浮在空中,A错误。①中,毛巾与塑料细带摩擦时电荷发生了转移,不是创造了电荷,B错误。②中,因手带负电,则在其靠近门锁但还未被电击过程中,门锁近手端感应出异种电荷,即正电荷;电击过程中,手上的部分电子转移到门锁上,C正确,D错误。
【例2】如图所示,两个用绝缘柱支持的枕形导体A、B靠在一起,起初它们不带电,将带正电的C靠近导体A,下列说法正确的是(　 　)
A.A左端带正电,B左端带负电
B.A左端带负电,B左端也带负电
C.先移走C,再将A、B分开,A将带正电
D.先将A、B分开,再移走C,A将带负电
D
【解析】　根据静电感应规律可知A左端带负电,B右端带等量正电,B左端不带电,A、B错误;先移走C,A、B所带电荷中和,再将A、B分开,A、B均不带电,C错误;先将A、B分开,再移走C,由于A不再与B接触,所以A将带负电,B将带正电,D正确。
【例3】如图所示,橡胶板置于绝缘水平桌面上,某同学戴着绝缘手套先用毛皮摩擦橡胶板,使橡胶板带负电,然后手握绝缘手柄,将铝板靠近橡胶板,铝板的下表面与橡胶板上凸起的接地铁钉接触,并在其上表面撒上细纸屑,迅速上抬铝板至某一位置后,可以看到细纸屑从铝板上飞溅出来,这就是“静电飞花”实验。下列说法正确的是(　 　)
A.铝板未与橡胶板接触,所以始终不带电
B.细纸屑因为带正电相互排斥而不断飞散
C.铝板与铁钉接触时,电子从大地通过铁钉流向铝板
D.铝板与铁钉接触时,铝板上、下表面带等量异种电荷
B
【解析】　用毛皮摩擦橡胶板后,橡胶板带负电;铝板靠近橡胶板时,铝板的下表面带正电,上表面带负电;当下表面与接地铁钉接触时,上表面的负电荷会流到大地,只有下表面带正电,故A、C、D错误。上抬铝板过程中,下表面的正电荷减少,上表面的正电荷增加,细纸屑因此也带上了正电荷,细纸屑间、细纸屑与铝板间因带上同种电荷而相互排斥,所以细纸屑会不断飞散,B正确。
一、电荷守恒定律的两种表述
1.电荷既不会创生,也不会消灭,它只能从一个物体____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____。
2.一个与外界没有电荷交换的系统,电荷的______保持不变。
要点二　电荷守恒定律　元电荷
转移
不变
代数和
二、元电荷
1.定义:实验发现的最小电荷量就是____所带的电荷量,这个最小的电荷量叫作元电荷,用符号e表示。
2.元电荷的大小:e=1.602 176 634×10-19 C,在计算中通常取e= ______________。
3.电荷量的不连续性:所有带电体的电荷量都是e的______。质子和电子都带1个元电荷电量,但两种粒子的电性____。
4.电子的比荷:电子的电荷量e与电子的质量me之__。其值=1.76×1011 C/kg。
电子
1.60×10-19 C
整数倍
相反
比
手持有机玻璃棒,用力将两块起电板快速摩擦后分开,两板分别带上了等量异种电荷,如图所示。
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
提示:摩擦起电的过程并没有创造电荷。在一个封闭的系统中,电荷的总量保持不变。
1.对电荷守恒定律的理解
(1)“总量”的含义,指电荷的代数和。
(2)起电过程的实质是物体中正、负电荷的分离和转移。
(3)电荷中和的实质是正、负电荷的结合。
2.对“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接触达到电中性的过程。
3.对元电荷的三点理解
(1)元电荷没有正、负之分,也不是实物粒子。
(2)质子及电子所带电荷量的绝对值与元电荷相等,但不能说它们是元电荷。
(3)电荷量不能连续变化,自然界中带电体的电荷量都是元电荷e的整数倍。
【例4】　关于元电荷、比荷和电荷守恒定律,下列说法正确的是(　 　)
A.元电荷e的数值最早是由美国物理学家密立根通过实验测得的
B.元电荷是指电子,电荷量等于电子的电荷量
C.单个物体所带的电荷量总是守恒的,电荷守恒定律指带电体和外界没有电荷交换
D.利用静电感应可使任何物体带电,质子和电子所带电荷量相等,比荷也相等
A
【解析】　元电荷e的数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的,他由此获得了诺贝尔物理学奖,A正确;元电荷是最小的电荷量,大小等于电子的电荷量,但电子不是元电荷,任何带电体所带的电荷量都是元电荷的整数倍,B错误;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,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,C错误;静电感应不能使绝缘体带电,电子和质子所带电荷量相等,但它们的质量不相等,比荷不相等,D错误。
【例5】　完全相同的两个金属小球A、B带有相同的电荷量,相隔一定的距离,今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
【解析】　设A、B带同种电荷为q,则A、C接触后,A、C所带电荷量为q'A=q'C=q,C与B接触后,B、C所带电荷量为q'B=q″C=q,故接触后A、B带电荷量大小之比为q'A︰q'B=q=2︰3。
【答案】　2︰3　
(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】　设qA=+q,qB=-q,则C与A接触后,A、C所带电荷量为q'A=q'C=+q,C与B接触后,B、C所带电荷量为q'B=q″C==-q,故接触后A、B带电荷量大小之比为q'A︰|q'B|=q︰q=2︰1。
【答案】　2︰1
两金属导体接触后电荷量的分配规律
(1)当两个带同种电荷的导体,材料、形状不同时,接触后再分开,只能使两者均带电,但无法确定电荷量的多少。
(2)若使两个完全相同的金属球带电荷量大小分别为q1、q2,则有
即时演练 堂堂清
1.如图所示,梳过头发的橡胶梳子常能吸引轻小物体,这属于摩擦起电现象。关于摩擦起电,下列说法正确的是 (　 　)
A.梳头时通过摩擦创造了负电荷
B.梳过头发的橡胶梳子可能带正电,也可能带负电
C.橡胶梳子因为得到头发上的电子而带负电
D.梳过头发的橡胶梳子所带的电荷量可以是任意数值
解析:摩擦起电现象的本质是:一个物体上的电子转移到另一个物体上,从而使两个物体带上等量的异种电荷。用橡胶梳子梳头发时,由于头发上的电子转移到梳子上,从而使橡胶梳子带了负电,C正确,A、B错误;头发和橡胶梳子互相摩擦后,它们所带的电荷量只能是元电荷的整数倍,D错误。
C
2.蜜蜂飞行过程中身上会积累少量正电荷,当蜜蜂飞到花蕊附近时,花粉颗粒会粘附在蜜蜂身上,当蜜蜂接近下一朵花时,部分花粉会留在下一朵花的花蕊上,完成授粉。一只原来电中性的蜜蜂在飞行过程中带上了+3.04×10-11 C的电荷,这是由于它(　 　)
A.失去了1.9×108个质子
B.失去了1.9×108个电子
C.得到了1.9×108个电子
D.得到了1.9×108个质子
B
解析:物体带电的实质为得失电子,原来电中性的蜜蜂带上正电,说明失去了电子;电子的电荷量大小为e=1.6×10-19 C,可知原来电中性的蜜蜂失去电子的个数为n==1.9×108(个),故选B。
3.A、B、C为三个完全相同的金属小球,A带电荷量为+q,B带电荷量为-q,带电的小球C先与A接触,再与B接触,之后小球B带电荷量为-q,则小球C与小球A接触前带电荷量为(　 　)
A.+q
C.+q D.-q
D
解析:设小球C与A接触前带的电荷量为qC。带电的小球C先与A接触,接触后A、C平分总电荷量,则C带的电荷量为;之后C再与B接触,分开时小球B与小球C带的电荷量相同,均为-q,则有q,解得qC=-q,故选D。
4.(人教版教材P5练习与应用T3改编)如图所示,带正电的导体球C靠近一个原先不带电的导体,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大小分别为QA、QB,则下列结论正确的是(　 　)
A.沿虚线c切开,A带负电,B带正电,且QA>QB
B.只有沿虚线b切开,才有A带正电,B带负电,且QA=QB
C.沿虚线a切开,A带正电,B带负电,且QAD.沿任意一条虚线切开,都有A带正电,B带负电,而QA的值与所切的位置有关
D
解析:导体原来不带电,在带正电的导体球C靠近后,由于静电感应,导体中的自由电子向B部分转移,使B部分带负电,A部分带正电。根据电荷守恒定律可知,A部分减少的电子数目和B部分增加的电子数目是相同的,因此无论沿哪一条虚线切开,两部分的电荷量大小总是相等的。但沿不同虚线切开时,A所带电荷量的大小QA不同,A、B、C错误,D正确。
课时作业1
1.(5分)下列关于三种起电现象的叙述正确的是(　 　)
A.玻璃棒无论与什么物体摩擦都带正电,橡胶棒无论与什么物体摩擦都带负电
B.摩擦可以起电,是普遍存在的现象,两个电中性物体相互摩擦后可以同时带等量同种电荷
C.带电现象的本质是电子的转移,呈电中性的物体得到多余电子就一定显负电性,失去电子就一定显正电性
D.电荷是可以被创生的,当一种电荷出现时,必然有等量异种的电荷出现
C
解析:两物体摩擦所带电荷的电性由不同物体原子核束缚电子本领的大小决定,两个电中性物体相互摩擦后若带电,则只能带等量异种电荷。玻璃棒与丝绸摩擦时,由于玻璃棒中原子核束缚电子的本领弱,失去电子而显正电性,丝绸得到电子,而显负电性,电荷的量值相等,并不是与其他物体摩擦时,玻璃棒也失去电子,故A、B错误;带电的本质是电子的转移,电中性的物体得到多余的电子而显负电性,失去电子的物体显正电性,故C正确;三种起电方式中,都没有创造电荷,只是电荷分布发生了变化,故D错误。
2.(5分)(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
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,故A、B错误,C、D正确。
CD
3.(5分)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
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,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,B错误;接触起电时,两个物体带同种电荷,D错误。
4.(5分)如果天气干燥,晚上脱毛衣时,会听到“噼啪”的响声,还会看到电火花,有关这种现象下列说法正确的是 (　 　)
A.产生这种现象的原因是接触起电
B.产生这种现象的原因是摩擦起电
C.产生这种现象的原因是感应起电
D.产生这种现象的原因是摩擦导致质子从一个物体转移到了另一个物体
解析:如果天气干燥,晚上脱毛衣时,会听到“噼啪”的响声,还会看到电火花,产生这种现象的原因是毛衣摩擦时起电,积累到一定程度又放电,故B正确,A、C错误;产生这种现象的原因是摩擦导致电子从一个物体转移到了另一个物体,故D错误。
B
5. (5分)如图所示,某同学将用毛皮摩擦过的PVC管靠近一细水流,发现细水流向靠近PVC管的方向偏转,下列说法正确的是 (　 　)
A.摩擦可以创造更多电荷
B.下雨天,实验效果会更明显
C.PVC管所带的电荷量一定是元电荷e的整数倍
D.用丝绸摩擦过的玻璃棒代替本实验的PVC管,细水流会
向远离玻璃棒的方向偏转
C
解析:摩擦只能转移电荷,不能够创造电荷,A错误;下雨天,对细水流的偏转会有一定的影响,实验效果会不明显,B错误;所有带电体所带电荷量一定为元电荷的整数倍,C正确;用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电,用毛皮摩擦过的PVC管带负电,虽然二者带电种类不同,但细水流依旧会向靠近玻璃棒方向偏转,D错误。
6. (5分)如图所示,真空中有两个完全相同的金属球A和B,A球所带电荷量为+Q,B球不带电,电子电荷量为e,将B球向左移动与A球接触后再分开。下列说法正确的是(　 　)
A.接触前B球左侧感应出正电荷
B.分开后两球带等量异种电荷
C.接触过程中A球失去电子
D.接触过程中有个电子发生转移
D
解析:由于静电感应,接触前B球左侧感应出负电荷,故A错误;完全相同的带电小球接触时,若是同种电荷则将总电荷量平分,若是异种电荷则先中和然后将剩余电荷量平分,所以分开后两球带等量同种电荷,故B错误;两球接触后再分开,B球上电子转移到A球上,最终两球电荷量相同,电荷量都为+Q,则转移电子数为n=,故C错误,D正确。
7.(9分)在天气干燥的季节,一个人脱了鞋在地毯上走,身上聚集了-4.8×
10-5 C的电荷。若电子质量me=9.1×10-31 kg,电子电荷量e=-1.6×10-19 C,则:
(1)多少个电子的电荷量等于-3.2×10-5 C
解析:每个电子电荷量为e=-1.6×10-19 C,则-3.2×10-5 C的电荷量对应的电子个数为n==2×1014个。
答案:2×1014个　
(2)此人身上有多少个多余电子
解析:此人身上的多余电子个数为n'==3×1014个。
答案:3×1014个
(3)此人的质量增加了多少
解析:电子质量me=9.1×10-31 kg,所以此人增加的质量m=3×1014 × 9.1 × 10-31 kg=2.73×10-16 kg。
答案:2.73×10-16 kg
8. (5分)如图所示,某同学用丝绸摩擦过的玻璃棒去靠近一验电器的金属球(未接触)的过程中,验电器的金属箔片的张角逐渐变小。则下列说法正确的是(　 　)
A.验电器原本带正电
B.此过程中,自由电子从金属箔片转移到了金属球
C.玻璃棒带电过程为感应起电
D.金属箔片张角变小是因为验电器上的电荷消失了
B
解析:用丝绸摩擦玻璃棒,玻璃棒带正电(属于摩擦起电),用其靠近金属球时,会吸引金属箔片上的负电荷到金属球,由金属箔片的张角变小,可知验电器原来带负电,故A、C错误,B正确;金属箔片张角变小,是由于金属箔片上的负电荷移动到金属球上,从而导致金属箔片带的电荷量减少,但验电器上的电荷总量保持不变,D错误。
9.(5分)目前普遍认为,原子核中的质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的,u夸克带电荷量为+e,d夸克带电荷量为-e,e为元电荷。下列论断可能正确的是 (　 　)
A.质子由1个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成
B.质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成
C.质子由1个u夸克和2个d夸克组成,中子由2个u夸克和1个d夸克组成
D.质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和1个d夸克组成
B
解析:质子带一个单位正电荷,中子不带电,结合u夸克与d夸克的带电荷量可知B正确。
10.(5分)(多选)用金属箔制作一个不带电的圆环,放在干燥的绝缘桌面上。小明同学用绝缘材料做的笔套与头发摩擦后,将笔套自上而下慢慢靠近圆环,当距离约为0.5 cm时圆环被吸引到笔套上,如图所示。对上述现象的判断与分析,下列说法正确的是(　 　)
A.笔套与头发作用的过程属于接触起电
B.笔套靠近圆环时,圆环上下部感应出异种电荷
C.圆环被吸引到笔套上的过程中,圆环所受吸引力大于圆环的重力
D.笔套碰到圆环后,笔套所带的电荷立刻被全部中和
BC
解析:笔套与头发作用的过程是摩擦起电,A错误;该现象是静电感应现象,根据感应规律,近异远同,可知圆环上下部感应出异种电荷,B正确;由于圆环被吸引后,开始由静止向上运动,则加速度向上,圆环所受吸引力大于圆环的重力,C正确;笔套碰到圆环后,发生接触起电,带上了同种电荷,D错误。
11.(11分)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-8×10-12 C的电荷量,求:
(1)电子的电荷量大小;
解析:电子的电荷量大小为e=1.6×10-19 C。
答案:1.6×10-19 C　
(2)金属瓶上收集到的电子个数;
解析:金属瓶上收集到的电子个数n==5×107个。
答案:5×107个
(3)实验的时间。
解析:实验的时间为t= s=5×103 s。
答案:5×103 s
12.(5分)(多选)如图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
BD
解析:若用左手也去摸金属球,没有形成闭合电路,不会有电流产生,不会被电击,A错误;若用左手与旁边的观众握手,电荷会通过观众向大地传送,形成电流,二人会被电击,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,C错误;若右手离开金属球而且走下绝缘凳,则电荷将导入大地,人体将不再带电,头发会立刻恢复常态,D正确。
本课结束第九章　静电场及其应用
第1节　电荷
课程要求 学科素养
通过实验,了解静电现象。能用原子结构模型和电荷守恒的知识分析静电现象 物理观念 知道电荷量、静电感应、元电荷、比荷的概念
科学思维 分析静电感应现象,进一步提高应用原子结构模型解释静电现象的能力
科学探究 通过观察静电感应现象体会静电感应的实质,利用验电器探究导体是否带电
科学态度 与责任 通过不同起电方式的分析养成观察、比较、归纳分析的良好习惯
要点一　电荷及三种起电方式
一、电荷
1.自然界中有两种电荷:正电荷和负电荷。
2.电荷间的相互作用:同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。
3.电荷量:电荷的多少,用Q或q表示,国际单位制中的单位是库仑,符号是C。正电荷的电荷量为正值,负电荷的电荷量为负值。
4.物质的微观结构
(1)原子结构
原子
每个原子中质子的正电荷数量与电子的负电荷数量一样多,整个原子呈电中性。
(2)自由电子和离子
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便成为带正电的离子。
(3)金属导电的原因
正离子在金属内部排列起来,它们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,这就使金属成为导体。
5.摩擦起电及其原因
(1)摩擦起电:由于摩擦而使物体带电的方式。用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电,用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电。
(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。
二、静电感应
1.静电感应现象: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。
图甲是古老的摩擦起电机,图乙是感应起电机。
结合图片,请思考:
(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。
1.三种起电方法的比较
方式 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
微观 解释 不同物质的原子核对核外电子的约束力不同,摩擦时会出现电子从一个物体转移到另一物体上的现象 导体中的自由电子受到带电体对它的排斥(或者吸引)作用,而移向导体的远端(或者近端) 电荷间的相互作用,使得自由电子在带电体和导体上转移,且重新分布
实质 均为自由电荷在物体之间或物体内部的转移
2.感应起电的分析
(1)当带电体靠近导体时,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,如图甲所示。
(2)导体接地时,该导体与地球可视为一个导体,而且该导体可视为近端导体,带异种电荷,地球就成为远端导体,带同种电荷,如图乙、丙所示。
说明:用手摸一下导体,再移开手指,相当于先把导体接地,然后再与大地断开。
【例1】　教学或生活中会有以下情景:①用毛巾反复摩擦PVC管和塑料细带,向上抛起细带,并将PVC管置于下方,可见细带在空中飘浮;②干燥的冬天,带负电的手靠近金属门锁时会被电击。下列说法正确的是 (　C　)
A.①中,PVC管与塑料细带带异种电荷
B.①中,毛巾与塑料细带摩擦时创造了电荷
C.②中,在靠近门锁但还未被电击过程中,门锁近手端感应出正电荷
D.②中,电击过程,门锁上的部分电子转移到手上
【解析】　①中,与毛巾摩擦后的PVC管、塑料细带带同种电荷,由于同种电荷相斥而使塑料细带飘浮在空中,A错误。①中,毛巾与塑料细带摩擦时电荷发生了转移,不是创造了电荷,B错误。②中,因手带负电,则在其靠近门锁但还未被电击过程中,门锁近手端感应出异种电荷,即正电荷;电击过程中,手上的部分电子转移到门锁上,C正确,D错误。
【例2】如图所示,两个用绝缘柱支持的枕形导体A、B靠在一起,起初它们不带电,将带正电的C靠近导体A,下列说法正确的是(　D　)
A.A左端带正电,B左端带负电
B.A左端带负电,B左端也带负电
C.先移走C,再将A、B分开,A将带正电
D.先将A、B分开,再移走C,A将带负电
【解析】　根据静电感应规律可知A左端带负电,B右端带等量正电,B左端不带电,A、B错误;先移走C,A、B所带电荷中和,再将A、B分开,A、B均不带电,C错误;先将A、B分开,再移走C,由于A不再与B接触,所以A将带负电,B将带正电,D正确。
【例3】如图所示,橡胶板置于绝缘水平桌面上,某同学戴着绝缘手套先用毛皮摩擦橡胶板,使橡胶板带负电,然后手握绝缘手柄,将铝板靠近橡胶板,铝板的下表面与橡胶板上凸起的接地铁钉接触,并在其上表面撒上细纸屑,迅速上抬铝板至某一位置后,可以看到细纸屑从铝板上飞溅出来,这就是“静电飞花”实验。下列说法正确的是(　B　)
A.铝板未与橡胶板接触,所以始终不带电
B.细纸屑因为带正电相互排斥而不断飞散
C.铝板与铁钉接触时,电子从大地通过铁钉流向铝板
D.铝板与铁钉接触时,铝板上、下表面带等量异种电荷
【解析】　用毛皮摩擦橡胶板后,橡胶板带负电;铝板靠近橡胶板时,铝板的下表面带正电,上表面带负电;当下表面与接地铁钉接触时,上表面的负电荷会流到大地,只有下表面带正电,故A、C、D错误。上抬铝板过程中,下表面的正电荷减少,上表面的正电荷增加,细纸屑因此也带上了正电荷,细纸屑间、细纸屑与铝板间因带上同种电荷而相互排斥,所以细纸屑会不断飞散,B正确。
要点二　电荷守恒定律　元电荷
一、电荷守恒定律的两种表述
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。
二、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,用符号e表示。
2.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。
3.电荷量的不连续性:所有带电体的电荷量都是e的整数倍。质子和电子都带1个元电荷电量,但两种粒子的电性相反。
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。
手持有机玻璃棒,用力将两块起电板快速摩擦后分开,两板分别带上了等量异种电荷,如图所示。
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
提示:摩擦起电的过程并没有创造电荷。在一个封闭的系统中,电荷的总量保持不变。
1.对电荷守恒定律的理解
(1)“总量”的含义,指电荷的代数和。
(2)起电过程的实质是物体中正、负电荷的分离和转移。
(3)电荷中和的实质是正、负电荷的结合。
2.对“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接触达到电中性的过程。
3.对元电荷的三点理解
(1)元电荷没有正、负之分,也不是实物粒子。
(2)质子及电子所带电荷量的绝对值与元电荷相等,但不能说它们是元电荷。
(3)电荷量不能连续变化,自然界中带电体的电荷量都是元电荷e的整数倍。
【例4】　关于元电荷、比荷和电荷守恒定律,下列说法正确的是(　A　)
A.元电荷e的数值最早是由美国物理学家密立根通过实验测得的
B.元电荷是指电子,电荷量等于电子的电荷量
C.单个物体所带的电荷量总是守恒的,电荷守恒定律指带电体和外界没有电荷交换
D.利用静电感应可使任何物体带电,质子和电子所带电荷量相等,比荷也相等
【解析】　元电荷e的数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的,他由此获得了诺贝尔物理学奖,A正确;元电荷是最小的电荷量,大小等于电子的电荷量,但电子不是元电荷,任何带电体所带的电荷量都是元电荷的整数倍,B错误;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,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,C错误;静电感应不能使绝缘体带电,电子和质子所带电荷量相等,但它们的质量不相等,比荷不相等,D错误。
【例5】　完全相同的两个金属小球A、B带有相同的电荷量,相隔一定的距离,今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
【答案】　(1)2︰3　(2)2︰1
【解析】　(1)设A、B带同种电荷为q,则A、C接触后,A、C所带电荷量为q'A=q'C=q,C与B接触后,B、C所带电荷量为q'B=q″C=q,故接触后A、B带电荷量大小之比为
q'A︰q'B=q=2︰3。
(2)设qA=+q,qB=-q,则C与A接触后,A、C所带电荷量为q'A=q'C=+q,C与B接触后,B、C所带电荷量为q'B=q″C==-q,故接触后A、B带电荷量大小之比为q'A︰|q'B|=q︰q=
2︰1。
两金属导体接触后电荷量的分配规律
(1)当两个带同种电荷的导体,材料、形状不同时,接触后再分开,只能使两者均带电,但无法确定电荷量的多少。
(2)若使两个完全相同的金属球带电荷量大小分别为q1、q2,则有
1.如图所示,梳过头发的橡胶梳子常能吸引轻小物体,这属于摩擦起电现象。关于摩擦起电,下列说法正确的是 (　C　)
A.梳头时通过摩擦创造了负电荷
B.梳过头发的橡胶梳子可能带正电,也可能带负电
C.橡胶梳子因为得到头发上的电子而带负电
D.梳过头发的橡胶梳子所带的电荷量可以是任意数值
解析:摩擦起电现象的本质是:一个物体上的电子转移到另一个物体上,从而使两个物体带上等量的异种电荷。用橡胶梳子梳头发时,由于头发上的电子转移到梳子上,从而使橡胶梳子带了负电,C正确,A、B错误;头发和橡胶梳子互相摩擦后,它们所带的电荷量只能是元电荷的整数倍,D错误。
2.蜜蜂飞行过程中身上会积累少量正电荷,当蜜蜂飞到花蕊附近时,花粉颗粒会粘附在蜜蜂身上,当蜜蜂接近下一朵花时,部分花粉会留在下一朵花的花蕊上,完成授粉。一只原来电中性的蜜蜂在飞行过程中带上了+3.04×10-11 C的电荷,这是由于它(　B　)
A.失去了1.9×108个质子
B.失去了1.9×108个电子
C.得到了1.9×108个电子
D.得到了1.9×108个质子
解析:物体带电的实质为得失电子,原来电中性的蜜蜂带上正电,说明失去了电子;电子的电荷量大小为e=1.6×10-19 C,可知原来电中性的蜜蜂失去电子的个数为n==1.9×108(个),故选B。
3.A、B、C为三个完全相同的金属小球,A带电荷量为+q,B带电荷量为-q,带电的小球C先与A接触,再与B接触,之后小球B带电荷量为-q,则小球C与小球A接触前带电荷量为(　D　)
A.+q
C.+q D.-q
解析:设小球C与A接触前带的电荷量为qC。带电的小球C先与A接触,接触后A、C平分总电荷量,则C带的电荷量为;之后C再与B接触,分开时小球B与小球C带的电荷量相同,均为-q,则有q,解得qC=-q,故选D。
4.(人教版教材P5练习与应用T3改编)如图所示,带正电的导体球C靠近一个原先不带电的导体,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大小分别为QA、QB,则下列结论正确的是(　D　)
A.沿虚线c切开,A带负电,B带正电,且QA>QB
B.只有沿虚线b切开,才有A带正电,B带负电,且QA=QB
C.沿虚线a切开,A带正电,B带负电,且QAD.沿任意一条虚线切开,都有A带正电,B带负电,而QA的值与所切的位置有关
解析:导体原来不带电,在带正电的导体球C靠近后,由于静电感应,导体中的自由电子向B部分转移,使B部分带负电,A部分带正电。根据电荷守恒定律可知,A部分减少的电子数目和B部分增加的电子数目是相同的,因此无论沿哪一条虚线切开,两部分的电荷量大小总是相等的。但沿不同虚线切开时,A所带电荷量的大小QA不同,A、B、C错误,D正确。
课时作业1
(总分:70分)
1.(5分)下列关于三种起电现象的叙述正确的是(　C　)
A.玻璃棒无论与什么物体摩擦都带正电,橡胶棒无论与什么物体摩擦都带负电
B.摩擦可以起电,是普遍存在的现象,两个电中性物体相互摩擦后可以同时带等量同种电荷
C.带电现象的本质是电子的转移,呈电中性的物体得到多余电子就一定显负电性,失去电子就一定显正电性
D.电荷是可以被创生的,当一种电荷出现时,必然有等量异种的电荷出现
解析:两物体摩擦所带电荷的电性由不同物体原子核束缚电子本领的大小决定,两个电中性物体相互摩擦后若带电,则只能带等量异种电荷。玻璃棒与丝绸摩擦时,由于玻璃棒中原子核束缚电子的本领弱,失去电子而显正电性,丝绸得到电子,而显负电性,电荷的量值相等,并不是与其他物体摩擦时,玻璃棒也失去电子,故A、B错误;带电的本质是电子的转移,电中性的物体得到多余的电子而显负电性,失去电子的物体显正电性,故C正确;三种起电方式中,都没有创造电荷,只是电荷分布发生了变化,故D错误。
2.(5分)(多选)下列说法正确的是 (　CD　)
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
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,故A、B错误,C、D正确。
3.(5分)下列关于物体带电的说法正确的是 (　A　)
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
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,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,B错误;接触起电时,两个物体带同种电荷,D错误。
4.(5分)如果天气干燥,晚上脱毛衣时,会听到“噼啪”的响声,还会看到电火花,有关这种现象下列说法正确的是 (　B　)
A.产生这种现象的原因是接触起电
B.产生这种现象的原因是摩擦起电
C.产生这种现象的原因是感应起电
D.产生这种现象的原因是摩擦导致质子从一个物体转移到了另一个物体
解析:如果天气干燥,晚上脱毛衣时,会听到“噼啪”的响声,还会看到电火花,产生这种现象的原因是毛衣摩擦时起电,积累到一定程度又放电,故B正确,A、C错误;产生这种现象的原因是摩擦导致电子从一个物体转移到了另一个物体,故D错误。
5. (5分)如图所示,某同学将用毛皮摩擦过的PVC管靠近一细水流,发现细水流向靠近PVC管的方向偏转,下列说法正确的是 (　C　)
A.摩擦可以创造更多电荷
B.下雨天,实验效果会更明显
C.PVC管所带的电荷量一定是元电荷e的整数倍
D.用丝绸摩擦过的玻璃棒代替本实验的PVC管,细水流会向远离玻璃棒的方向偏转
解析:摩擦只能转移电荷,不能够创造电荷,A错误;下雨天,对细水流的偏转会有一定的影响,实验效果会不明显,B错误;所有带电体所带电荷量一定为元电荷的整数倍,C正确;用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电,用毛皮摩擦过的PVC管带负电,虽然二者带电种类不同,但细水流依旧会向靠近玻璃棒方向偏转,D错误。
6. (5分)如图所示,真空中有两个完全相同的金属球A和B,A球所带电荷量为+Q,B球不带电,电子电荷量为e,将B球向左移动与A球接触后再分开。下列说法正确的是(　D　)
A.接触前B球左侧感应出正电荷
B.分开后两球带等量异种电荷
C.接触过程中A球失去电子
D.接触过程中有个电子发生转移
解析:由于静电感应,接触前B球左侧感应出负电荷,故A错误;完全相同的带电小球接触时,若是同种电荷则将总电荷量平分,若是异种电荷则先中和然后将剩余电荷量平分,所以分开后两球带等量同种电荷,故B错误;两球接触后再分开,B球上电子转移到A球上,最终两球电荷量相同,电荷量都为+Q,则转移电子数为n=,故C错误,D正确。
7.(9分)在天气干燥的季节,一个人脱了鞋在地毯上走,身上聚集了-4.8×10-5 C的电荷。若电子质量me=9.1×10-31 kg,电子电荷量e=-1.6×10-19 C,则:
(1)多少个电子的电荷量等于-3.2×10-5 C
(2)此人身上有多少个多余电子
(3)此人的质量增加了多少
答案:(1)2×1014个　(2)3×1014个
(3)2.73×10-16 kg
解析:(1)每个电子电荷量为e=-1.6×10-19 C,则-3.2×10-5 C的电荷量对应的电子个数为n==2×1014个。
(2)此人身上的多余电子个数为n'==3×1014个。
(3)电子质量me=9.1×10-31 kg,所以此人增加的质量m=3×1014×9.1×10-31 kg=2.73×10-16 kg。
8. (5分)如图所示,某同学用丝绸摩擦过的玻璃棒去靠近一验电器的金属球(未接触)的过程中,验电器的金属箔片的张角逐渐变小。则下列说法正确的是(　B　)
A.验电器原本带正电
B.此过程中,自由电子从金属箔片转移到了金属球
C.玻璃棒带电过程为感应起电
D.金属箔片张角变小是因为验电器上的电荷消失了
解析:用丝绸摩擦玻璃棒,玻璃棒带正电(属于摩擦起电),用其靠近金属球时,会吸引金属箔片上的负电荷到金属球,由金属箔片的张角变小,可知验电器原来带负电,故A、C错误,B正确;金属箔片张角变小,是由于金属箔片上的负电荷移动到金属球上,从而导致金属箔片带的电荷量减少,但验电器上的电荷总量保持不变,D错误。
9.(5分)目前普遍认为,原子核中的质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的,u夸克带电荷量为+e,d夸克带电荷量为-e,e为元电荷。下列论断可能正确的是 (　B　)
A.质子由1个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成
B.质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成
C.质子由1个u夸克和2个d夸克组成,中子由2个u夸克和1个d夸克组成
D.质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和1个d夸克组成
解析:质子带一个单位正电荷,中子不带电,结合u夸克与d夸克的带电荷量可知B正确。
10.(5分)(多选)用金属箔制作一个不带电的圆环,放在干燥的绝缘桌面上。小明同学用绝缘材料做的笔套与头发摩擦后,将笔套自上而下慢慢靠近圆环,当距离约为0.5 cm时圆环被吸引到笔套上,如图所示。对上述现象的判断与分析,下列说法正确的是(　BC　)
A.笔套与头发作用的过程属于接触起电
B.笔套靠近圆环时,圆环上下部感应出异种电荷
C.圆环被吸引到笔套上的过程中,圆环所受吸引力大于圆环的重力
D.笔套碰到圆环后,笔套所带的电荷立刻被全部中和
解析:笔套与头发作用的过程是摩擦起电,A错误;该现象是静电感应现象,根据感应规律,近异远同,可知圆环上下部感应出异种电荷,B正确;由于圆环被吸引后,开始由静止向上运动,则加速度向上,圆环所受吸引力大于圆环的重力,C正确;笔套碰到圆环后,发生接触起电,带上了同种电荷,D错误。
11.(11分)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-8×10-12 C的电荷量,求:
(1)电子的电荷量大小;
(2)金属瓶上收集到的电子个数;
(3)实验的时间。
答案:(1)1.6×10-19 C　(2)5×107个 (3)5×103 s
解析:(1)电子的电荷量大小为e=1.6×10-19 C。
(2)金属瓶上收集到的电子个数n==5×107个。
(3)实验的时间为t= s=5×103 s。
12.(5分)(多选)如图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(　BD　)
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:若用左手也去摸金属球,没有形成闭合电路,不会有电流产生,不会被电击,A错误;若用左手与旁边的观众握手,电荷会通过观众向大地传送,形成电流,二人会被电击,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,C错误;若右手离开金属球而且走下绝缘凳,则电荷将导入大地,人体将不再带电,头发会立刻恢复常态,D正确。

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