2019-2020学年高考物理 主题1 静电场 1 电荷及其守恒定律学案（必修3）

1电荷及其守恒定律学科素养与目标要求物理观念：1.知道自然界中的两种电荷及三种起电方式.2.掌握电荷守恒定律.3.知道电荷量及元电荷的概念.科学探究：了解验电器的构造、原理，并借助验电器感受摩擦起电、感应起电的过程.科学思维：通过对原子结构模型的学习使学生明确物体带电的本质，知道三种带电方式的实质是相同的.一、电荷及起电方式1.两种电荷(1)电荷的分类：正电荷和负电荷.用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，用毛皮摩擦过的硬橡胶棒带负电.(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.2.摩擦起电：当两个物体互相摩擦时，一些束缚得不紧的电子往往从一个物体转移到另一个物体，于是原来呈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.3.感应起电：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号电荷，远离带电体的一端带同号电荷，这种现象叫做静电感应.利用静电感应使金属导体带电的过程叫做感应起电.二、电荷守恒定律和元电荷1.电荷守恒定律：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.电荷守恒定律另一表述是：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变.3.元电荷：最小的电荷量叫做元电荷，用e表示.所有带电体的电荷量或者等于e，或者是e的整数倍.元电荷e的数值最早是由美国物理学家密立根测得的，在我们的计算中，可取e1.601019C.1.判断下列说法的正误.(1)用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，是因为正电荷从丝绸转移到玻璃棒上.()(2)摩擦起电的过程是电子从一个物体转移到另一个物体的过程.()(3)原来不带电的丝绸和玻璃棒相互摩擦后分别带上了异种电荷，说明通过摩擦可以创造电荷.()(4)某一带电体的电荷量可能等于51019C.()2.带正电的物体C靠近不带电的枕形导体AB，如图1所示，A端将带_电，B端将带_电.图1答案负正一、对三种起电方式的理解(1)如图所示，取一对用绝缘柱支撑的导体A和B，使它们彼此接触.起初它们不带电，贴在下部的金属箔片是闭合的.把带正电荷的物体C移近导体A，金属箔片有什么变化？这时把A和B分开，然后移去C，金属箔片又有什么变化？再让A和B接触，又会看到什么现象？(2)带正电的物体A与不带电的物体B接触，使物体B带上了什么电荷？在这个过程中电荷是如何转移的？答案(1)C移近导体A，两侧金属箔片都张开；金属箔片仍张开，但张角变小；A、B接触，金属箔片都闭合.(2)正电荷，在这个过程中，有电子从物体B转移到物体A，物体B中电子数量减少，因此带正电.三种起电方式的比较摩擦起电感应起电接触起电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导体带上与带电体同性的电荷原因不同物质原子核对电子的束缚能力不同.束缚能力强的得电子，带负电；束缚能力弱的失电子，带正电电子在电荷间相互作用下发生转移，近端带异种电荷，远端带同种电荷在电荷间相互作用下，电子从一个物体转移到另一个物体上实质电荷在物体之间或物体内部的转移说明无论哪种起电方式，发生转移的都是电子，正电荷不会发生转移.例1(多选)关于摩擦起电现象，下列说法正确的是()A.摩擦起电现象使本来没有电子和质子的物体中产生电子和质子B.两种不同材料的不带电的绝缘体互相摩擦后，同时带上等量异种电荷C.摩擦起电，可能是因为摩擦导致质子从一个物体转移到了另一个物体而形成的D.丝绸摩擦玻璃棒时，电子从玻璃棒上转移到丝绸上，玻璃棒因质子数多于电子数而显正电答案BD解析摩擦起电实质是由于两个物体的原子核对核外电子的束缚能力不相同，因而电子可以在物体间转移.若一个不带电的物体失去电子，其质子数就会比电子数多，我们说它带正电；若一个不带电的物体得到电子，其质子数就会比电子数少，我们说它带负电.使物体带电并不是创造出电荷.例2(多选)如图2所示，A、B为相互接触并用绝缘支柱支持的金属导体，起初都不带电，在它们的下部贴有金属箔片，C是带正电的小球，下列说法正确的是()图2A.把C移近导体A时，A、B上的金属箔片都张开B.把C移近导体A，先把A、B分开，然后移去C，A、B上的金属箔片仍张开C.把C移近导体A，先把C移走，再把A、B分开，A、B上的金属箔片仍张开D.把C移近导体A，先把A、B分开，再把C移走，最后重新让A、B接触，A上的金属箔片张开，而B上的金属箔片闭合答案AB解析A、B开始都不带电，把C移近导体A时，由于静电感应使A、B中的自由电子向左移动，使得A端带负电荷，B端带正电荷，所以两边的金属箔片都张开，A正确.先把A、B分开，再移走C，A、B仍然带电，但重新让A、B接触后，A、B上的感应电荷完全中和，金属箔片都不会张开，B正确，D错误.但如果先移走C，A、B上的感应电荷会马上中和，不再带电，所以金属箔片都不会张开，C错误.感应起电的判断方法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3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.图3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.二、电荷守恒定律元电荷(1)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？(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41019C吗？(3)电子和质子就是元电荷吗？答案(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.(2)物体所带的电荷量不是任意的，它只能是1.601019C的整数倍.由于41019C是1.601019C的2.5倍，所以物体所带的电荷量不能是41019C.(3)元电荷是最小的电荷量，不是物质；电子和质子是实实在在的粒子，不是元电荷.1.使物体带电的实质不是创造了电荷，而是物体所带的电荷发生了转移，起电的过程就是物体间或物体内部电荷的重新分布.2.电荷的中和是指带等量异号电荷的两物体接触时，经过电子的转移，物体达到电中性的过程.3.导体接触带电时电荷量的分配与导体的材料、形状、大小有关，当两个完全相同的金属球接触后，电荷量将平均分配，即最后两个球带等量的同种电荷或均不带电.4.元电荷(1)元电荷是最小的电荷量，而不是实物粒子，元电荷无正、负之分.(2)虽然质子、电子的电荷量等于元电荷，但不能说质子、电子是元电荷.(3)电子的比荷：电子的电荷量e与电子的质量me之比，叫做电子的比荷.例3完全相同的两金属小球A、B带有相同大小的电荷量，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)23(2)21解析(1)设A、B带电荷量均为q，则A、C接触后，A、C带电荷量为qAqCq.C与B接触后，B、C所带电荷量为qBqCq.故A、B带电荷量大小之比为.(2)设A带正电，B带负电，且所带电荷量大小均为Q.则C与A接触后，A、C带电荷量为qAqCQ.C与B接触后，B、C带电荷量为qBqCQ，故A、B带电荷量大小之比为.例4放在绝缘支架上的两个完全相同的金属小球A、B分别带有电荷量QA6.4109C、QB3.2109C，让两个金属小球接触，在接触过程中，电子如何转移？转移了多少个？答案电子由B球转移到A球3.01010个解析两小球接触时，电荷量少的负电荷先被中和，剩余的正电荷再重新分配，由于两小球完全相同，剩余正电荷一定平分，即接触后两小球带电荷量QAQBC1.6109C在接触过程中，电子由B球转移到A球，自身的净电荷全部中和后，继续转移，使B球带QB的正电，这样共转移的电荷量为QQBQB1.6109C(3.2109C)4.8109C则转移的电子数n(个)3.01010(个).学科素养通过例3、例4的学习，使学生进一步掌握电荷守恒定律及其相关应用，知道两个完全相同的金属球接触后将平分电荷，较好地体现了“物理观念”和“科学思维”的学科素养.三、验电器的原理和使用验电器的两种应用方式及原理(1)带电体接触验电器：当带电的物体与验电器上面的金属球接触时，有一部分电荷转移到验电器上，与金属球相连的两个金属箔片带上同种电荷，因相互排斥而张开.如图4甲.(2)带电体靠近验电器：当带电体靠近验电器的金属球时，带电体会使验电器的金属球感应出异种电荷，而金属箔片上会感应出同种电荷(感应起电)，两箔片在斥力作用下张开，如图乙.图4例5如图5所示，用起电机使金属球A带负电，靠近验电器B的金属球，则()图5A.验电器的金属箔片不张开，因为球A没有和B接触B.验电器的金属箔片张开，因为整个验电器都带上了正电C.验电器的金属箔片张开，因为整个验电器都带上了负电D.验电器的金属箔片张开，因为验电器下部的两金属箔片都带上了负电答案D解析带负电的球A靠近验电器B的金属球，根据电荷“同性斥，异性吸”的特点知，验电器金属球上的电子会被球A上的负电荷排斥到验电器下端箔片上，则金属杆下端的两箔片就会因带负电荷而相斥，箔片张开，故选D.1.(对三种起电方式的理解)(多选)下列说法中正确的是()A.静电感应不是创造电荷，只是电荷从物体的一部分转移到另一部分B.摩擦起电时，一个电中性物体失去一些电子而带正电，另一个电中性物体得到这些电子而带负电C.摩擦起电和感应起电都能使电子转移，只不过前者使电子从一个物体转移到另一个物体上，而后者则使电子从物体的一部分转移到另一部分D.一个带电体接触一个不带电的物体，两个物体可能带上异种电荷答案ABC2.(感应起电)(多选)(2018济宁市高二月考)如图6所示，把置于绝缘支架上的不带电的枕形导体放在带负电的导体C附近，导体的A端感应出正电荷，B端感应出负电荷.关于使导体带电的以下说法中正确的是()图6A.如果用手摸一下导体的B端，B端自由电子将经人体流入大地，手指离开，移去带电体C，导体带正电B.如果用手摸一下导体的A端，大地的自由电子将经人体流入导体与A端的正电荷中和，手指离开，移去带电体C，导体带负电C.如果用手摸一下导体的中间，由于中间无电荷，手指离开，移去带电体C，导体不带电D.无论用手摸一下导体的什么位置，导体上的自由电子都经人体流入大地，手指离开，移去带电体C，导体带正电答案AD解析无论用手摸一下导体的什么位置，都会使枕形导体通过人体与大地相连，由于静电感应，导体上的自由电子将经人体流入大地，使得导体带正电，手指离开，移去带电体C，导体带正电，故选A、D.3.(验电器的原理)如图7所示，用丝绸摩擦过的玻璃棒和验电器的金属球接触，使验电器的金属箔片张开，关于这一现象，下列说法正确的是()图7A.两片金属箔片上带异种电荷B.两片金属箔片上均带负电荷C.金属箔片上有电子转移到玻璃棒上D.将玻璃棒移走，则金属箔片立即合在一起答案C解析用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，若将其接触验电器的金属球，此时两个箔片上均带正电荷；在此过程中，一部分电子会从验电器向玻璃棒转移；移走玻璃棒后，箔片仍带电，不会立即合在一起，选项C正确.4.(电荷守恒定律的应用)有三个相同的金属小球A、B、C，其中小球A带有2.0105C的正电荷，小球B、C不带电，现在让小球C先与球A接触后取走，再让小球B与球A接触后分开，最后让小球B与小球C接触后分开，最终三球的带电荷量分别为qA_C，qB_C，qC_C.答案51067.51067.5106解析小球C先与球A接触后平分A的电荷，则qAqC1.0105C，再让小球B与球A接触后分开，则qAqB5106C；最后让小球B与小球C接触后分开，则qBqC7.5106C.一、选择题考点一电荷量与元电荷1.关于对元电荷的理解，下列说法正确的是()A.元电荷就是电子B.元电荷就是质子C.元电荷是表示跟电子所带电荷量数值相等的电荷量D.元电荷是带电荷量最小的带电粒子答案C2.(多选)关于电荷量，以下说法正确的是()A.物体所带的电荷量可以为任意值B.物体所带的电荷量只能为某些值C.物体带电荷量的最小值为1.6109CD.若物体带正电荷，电荷量为1.6109C，这是因为物体失去了1.01010个电子答案BD解析物体所带的电荷量不能为任意值，只能为元电荷的整数倍，故A错误，B正确.物体带电荷量的最小值与电子的电荷量数值相等，为1.61019C，故C错误.物体带电荷量为1.6109C，说明物体失去了1.01010个电子，故D正确.考点二三种起电方式3.(2018佛山一中高二段考)下列有关摩擦起电的说法正确的是()A.摩擦起电说明电荷是可以创造的B.摩擦起电时物体带负电荷是因为在摩擦过程中此物体得到电子C.摩擦起电是正电荷从一个物体转移到另一物体D.等量的正、负电荷可以中和，说明电荷可以被消灭答案B4.如图1所示，在感应起电中，带负电小球P靠近带绝缘底座的导体MN时，M处将()图1A.带负电B.带正电C.不带电D.以上答案均有可能答案A解析这是感应起电，当带负电小球靠近带绝缘底座的导体时，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，左端的负电荷受到排斥力运动到右侧，所以N处带正电，M处带负电，故A正确.5.(2018南通中学高二检测)绝缘细线上端固定，下端挂一轻质小球a，a的表面镀有铝膜，在a的旁边有一绝缘金属球b，开始时a、b都不带电，如图2所示，现使b带电，则()图2A.b将吸引a，吸住后不放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解析带电物体能够吸引轻小物体，故b会将a球吸引过来，a与b接触后，带同种电荷而分开，由此可知，故B正确，A、C、D错误.6.如图3所示，把一个不带电的枕形导体靠近带正电的小球，由于静电感应，在a、b两端分别出现负、正电荷，则以下说法正确的是()图3A.闭合开关S1，有电子从枕形导体流向大地B.闭合开关S2，有电子从枕形导体流向大地C.闭合开关S1，有电子从大地流向枕形导体D.闭合开关S2，没有电子通过开关S2答案C解析当闭合开关S1、S2中的任何一个以后，便把大地与导体连通，由于静电感应，a端仍为负电荷，大地远处应感应出正电荷，因此无论闭合开关S1，还是开关S2，都应有电子从大地流向导体，故C选项正确.考点三验电器及其原理7.使带电的金属球靠近不带电的验电器，验电器的金属箔片张开，如图表示验电器上感应电荷的分布情况，正确的是()答案B解析把带电金属球移近不带电的验电器，会改变验电器上的电荷分布；由于电荷间同性相斥、异性相吸，使得验电器上靠近带电金属球的一端和其电性相反，而远离带电金属球的一端和其电性相同，故选项B正确.8.(2018宿迁市沭阳县高二期中)如图4所示，有一带正电的验电器，将不带电的金属球A接触验电器的小球B时，验电器的金箔张角()图4A.变大B.变小C.不变D.先变小，后变大答案B解析有一带正电的验电器，将不带电的金属球A接触验电器的小球B时，金属球A将带正电，根据电荷守恒定律有，验电器的电荷减小，验电器的金箔张角减小，故B正确，A、C、D错误.考点四电荷守恒定律的应用9.(多选)A和B都是不带电的物体，它们互相摩擦后A带负电荷1.61010C，下列判断中正确的是()A.在摩擦前A和B的内部净电荷量为零B.摩擦的过程中电子从A转移到了BC.A在摩擦过程中一定得到了1109个电子D.A在摩擦过程中一定失去了1.61019C电子答案AC10.如图5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，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，则下列结论正确的是()图5A.沿虚线d切开，A带负电，B带正电，且QAQBB.只有沿虚线b切开，才有A带正电，B带负电，且QAQBC.沿虚线a切开，A带正电，B带负电，且QAQBD.沿任意一条虚线切开，都有A带正电，B带负电，且QAQB答案D解析导体原来不带电，在带正电的导体球C静电感应的作用下，导体中的自由电子向B部分转移，使B部分有了多余的电子而带负电；A部分少了电子而带正电.根据电荷守恒定律，A部分移走的电子数目和B部分多余的电子数目是相同的，因此无论从哪一条虚线切开，两部分的电荷量总是相等的，故只有D正确.11.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.下列论断中可能正确的是()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夸克组成答案B解析质子带一个单位正电荷，中子不带电，设质子中u夸克、d夸克个数分别是x、y，x、y取正整数，则xey(e)e，当x2、y1时等式成立；设中子中u夸克、d夸克个数分别是m、n，m、n取正整数，则m(e)n(e)0，当m1、n2时等式成立，故选B.二、非选择题12.干燥的天气一个人脱了鞋在地毯上走，身上聚集了4.8105C的电荷，此人身上有多少个剩余电子？他的质量因聚集电子而增加了多少？(电子质量me9.11031kg，电子电荷量e1.61019C)答案3.01014个2.731016kg解析4.8105C的电荷量含有的电子数为n个3.01014个，增加的质量为Mnme3.010149.11031kg2.731016kg.13.有三个完全相同的绝缘金属小球A、B、C，其中A小球带有3103C的正电荷，B小球带有2103C的负电荷，小球C不带电.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，试求这时三个小球的带电荷量分别为多少？答案qA2.5104CqB6.25104CqC6.25104C解析C、A接触后分开，A、C带电荷量均为C1.5103C，再让小球B与小球A接触后分开，A、B带电荷量均为C2.5104C，最后让小球B与小球C接触后分开，B、C带电荷量均为C6.25104C，故最终三小球的带电荷量分别为qA2.5104C，qB6.25104C，qC6.25104C.13