高二物理31创新设计第一章 第1讲.docx
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高二物理31创新设计第一章第1讲
[目标定位] 1.知道自然界中的两种电荷及其相互作用的性质.2.知道使物体带电的三种方式.3.掌握电荷守恒定律及元电荷的概念.
一、两种电荷摩擦起电及解释
1.自然界只存在两种电荷,正电荷和负电荷.丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷叫做正电荷,毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷叫做负电荷.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.在国际单位制中,电荷量的单位是库仑,用字母C表示,1μC=10-6C,1nC=10-9C.
3.元电荷:
一个电子所带电荷量的绝对值为1.6×10-19C,它是电荷的最小单位.记作e=1.6×10-19C.
(1)任何带电体所带电荷量都是元电荷的整数倍.
(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.
4.摩擦起电及解释
(1)摩擦起电:
通过摩擦使物体带电的方法.
(2)电中性:
原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成;核外有带负电的电子,正常状态下,原子内的电子总数等于原子核内的质子总数,因而通常物体或者物体的任何一部分都不显电性,称之为电中性.
(3)摩擦起电的解释
当两个物体相互摩擦时,一些束缚不紧的电子会从一个物体转移到另一个物体,于是得到电子的物体带负电,失去电子的物体则带正电.
深度思考
有人说:
一个带电体所带的电荷量为4×10-19C,你认为他这种说法正确吗?
为什么?
答案 不正确.任何带电体所带电荷量都是元电荷的整数倍,而4×10-19C不是元电荷的整数倍,所以这种说法不正确.
例1
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了电子和质子
B.两种不同材料的绝缘体相互摩擦后,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
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约束能力不同,因而电子可以在物体间转移,若一个物体失去电子,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.
答案 BD
二、电荷守恒定律
内容:
电荷既不能被创造,也不能被消灭,它们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,也就是说,在任何自然过程中,电荷的代数和是守恒的.
深度思考
带等量异种电荷的两小球接触后都不带电了,是电荷消失了吗?
此过程中电荷还守恒吗?
答案 没有消失,这是电荷的中和,是指两个带等量异种电荷的物体相互接触时,由于正、负电荷间的相互吸引作用,电荷发生转移,最后都达到电中性状态的一个过程.电荷仍然守恒.
例2
完全相同的两金属小球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?
解析
(1)设A、B带同种电荷,且带电荷量均为q,则A、C接触后,A、C带电荷量为qA=qC=
q.
C球与B球接触后,B、C所带电荷量为qB=qC′=
=
q.
故A、B带电荷量大小之比为
=
=2∶3.
(2)设qA′=+q,qB′=-q.
则C与A接触后,A、C带电荷量为qA″=qC″=+
q.
C与B接触后,B、C带电荷量为qB″=qC=
=-
q,
故A、B带电荷量大小之比为
=
=2∶1.
答案
(1)2∶3
(2)2∶1
(1)接触起电:
带电体接触导体时,电荷转移到导体上,使导体带上与带电体相同性质的电荷.
(2)导体接触带电时电荷量的分配与导体的形状、大小有关,当两个完全相同的导体接触后,电荷将平均分配,即最后两个导体一定带等量的同种电荷.
(3)若两个相同的金属球带同种电荷,接触后电荷量先相加后均分;若带异种电荷,接触后电荷先中和再均分.
三、静电感应、感应起电和验电器(或静电计)
1.静电感应:
当一个带电体靠近不带电的导体时,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,这种现象叫做静电感应.
2.感应起电:
利用静电感应使导体带电的方法.
3.验电器(或静电计)
(1)验电器(或静电计)(如图1)的金属球、金属杆和下面的两个金属箔片连成同一导体.
图1
(2)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,物体所带电荷量越多,电荷转移的越多,斥力越大,张开的角度也越大.
(3)当带电体靠近验电器的金属球时,金属箔片也会张开.因为带电体会使验电器的上端感应出异种电荷,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.
深度思考
(1)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?
(2)如图2所示,当将带正电荷的球C移近不带电的枕形金属导体时,由于电荷间的吸引,枕形金属导体中的自由电子向A端移动,而正电荷不移动,所以A端(近端)带______电,B端带______电.(填“正”或“负”)
图2
答案
(1)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的电子减少,使物体B带正电.
(2)负 正
例3
如图3所示,A、B为相互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,下列说法正确的是( )
图3
A.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.先把C移走,再把A、B分开,A、B上的金属箔片仍张开
D.先把A、B分开,再把C移走,然后重新让A、B接触,A上的金属箔片张开,而B上的金属箔片闭合
解析 虽然A、B起初都不带电,但带正电的导体C对A、B内的电荷有力的作用,使A、B中的自由电子向左移动,使得A端积累了负电荷,B端带正电荷,其下部贴有的金属箔片分别带上了与A、B同种的电荷,所以金属箔片都张开,A正确.C只要一直在A、B附近,先把A、B分开,A、B上的电荷因受C的作用力不可能中和,因而A、B仍带等量异种的感应电荷,此时即使再移走C,A、B所带电荷量也不变,金属箔片仍张开,B正确.但如果先移走C,A、B上的感应电荷会马上中和,不再带电,所以箔片都不会张开,C错.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上的感应电荷会完全中和,金属箔片都不会张开,D错.故选A、B.
答案 AB
(1)静电感应中,电中性导体在两侧同时感应等量异种电荷,感应的过程,就是导体内电荷重新分布的过程.
(2)接触起电是由于电荷间作用使导体间的电荷发生转移.
例4
使带电的金属球靠近不带电的验电器,验电器的箔片张开.下列各图表示验电器上感应电荷的分布情况,正确的是( )
解析 把带电金属球移近不带电的验电器,若金属球带正电荷,则将导体上的自由电子吸引上来,这样验电器的上部将带负电荷,箔片带正电荷;若金属球带负电荷,则将导体上的自由电子排斥到最远端,这样验电器的上部将带正电荷,箔片带负电荷.选项B正确.
答案 B
1.(摩擦起电及解释)(多选)如图4所示,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,关于这种现象产生的原因,下列说法错误的是( )
图4
A.人身体上产生电流B.接触带电造成的
C.摩擦起电造成的D.感应起电造成的
答案 ABD
解析 脱毛衣时由于摩擦起电,衣服间产生异种电荷,当电荷积累到一定程度时,会产生电火花,并伴有“噼啪”声,选项C正确,A、B、D错误.
2.(电荷守恒定律的理解和应用)有两个完全相同的带电绝缘金属小球A、B,分别带有电荷量QA=6.4×10-9C,QB=-3.2×10-9C,让两绝缘金属小球接触,在接触过程中,电子如何转移并转移了多少?
答案 电子由B球转移到了A球,转移了3.0×1010个电子
解析 当两小球接触时,带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,剩余正电荷必均分,即接触后两小球带电荷量QA′=QB′=
=
C=1.6×10-9C.
在接触过程中,电子由B球转移到A球,不仅将自身电荷中和,且继续转移,使B球带QB′的正电,这样,共转移的电子电荷量为ΔQB=QB′-QB=[1.6×10-9-(-3.2×10-9)]C=4.8×10-9C.
转移的电子数n=
=
=3.0×1010(个).
3.(对三种起电的理解)如图5是伏打起电盘示意图,其起电原理是( )
图5
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 导电夹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.
4.(验电器及其原理)如图6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6
A.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.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 自然界只存在两种电荷,正电荷和负电荷.丝绸摩擦过的玻璃棒带正电,即缺少电子,若将其接触验电器的金属球,此时两个箔片都带正电荷;在此过程中,一部分电子会从验电器转移到玻璃棒;移走玻璃棒时,箔片仍带电,不会立即合在一起.选项C正确.
题组一 对元电荷的理解
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 C
解析 元电荷是自然界最小的电荷量,是与跟电子所带电荷量数值相等的电荷量,不是电子,不是质子,也不是带电荷量最小的带电粒子,选项C正确.
2.(多选)下列说法正确的是( )
A.物体所带的电荷量可以为任意实数
B.电子带有最小的负电荷,其电荷量的绝对值叫元电荷
C.物体所带的电荷量只能是一些不连续的特定值
D.物体电荷量的最小值为1.6×10-19C
答案 BCD
解析 元电荷是自然界最小的电荷量,其数值e=1.6×10-19C,所有带电体的电荷量均为e的整数倍,只能是一些特定值,选项A错误,B、C、D正确.
3.保护知识产权,抵制盗版是我们每个公民的责任与义务.盗版书籍影响我们的学习效率,甚至会给我们的学习带来隐患.小华同学有一次不小心购买了盗版的物理参考书,做练习时,他发现有一个带电质点的电荷量数字看不清,他只能看清是6._×10-18C,拿去问老师,如果你是老师,你认为该带电质点的电荷量可能是下列哪一个( )
A.6.2×10-18CB.6.4×10-18C
C.6.6×10-18CD.6.8×10-18C
答案 B
解析 任何带电体的电荷量是元电荷的整数倍,即是1.6×10-19C的整数倍,由计算可知,只有B选项是1.6×10-19C的整数倍,故B正确.
题组二 对三种起电方式的理解及应用
4.关于摩擦起电和感应起电,下列说法正确的是( )
A.摩擦起电是电荷的转移,感应起电是创造了电荷
B.摩擦起电是创造了电荷,感应起电是电荷的转移
C.不论摩擦起电还是感应起电,都是电荷的转移
D.以上说法均不正确
答案 C
解析 无论哪种方式起电,都不是创造了电荷,而是电荷的转移,所以选项A、B、D错误,选项C正确.
5.(多选)关于摩擦起电和感应起电的实质,下列说法中正确的是( )
A.摩擦起电现象说明机械能可以转化为电能,也说明通过做功创造出电荷
B.摩擦起电说明电荷可以从一个物体转移到另一个物体
C.感应起电说明电荷可以从物体的一部分转移到另一部分
D.感应起电说明电荷可以从带电的物体转移到原来不带电的物体
答案 BC
解析 摩擦起电的实质是电子在相互摩擦的物体间发生转移,失电子的显示正电,得电子的显示负电,此过程并非创造了电荷,总电荷量守恒,A错,B对;感应起电的实质是电荷从导体的一部分转移到另一部分,是电荷在同一导体内部发生了转移,C对,D错.
6.把两个完全相同的小球接触后分开,两球相互排斥,则两球原来的带电情况不可能是( )
A.一个小球原来带电,另一个小球原来不带电
B.两个小球原来分别带等量异种电荷
C.两个小球原来分别带同种电荷
D.两个小球原来分别带不等量异种电荷
答案 B
解析 两个完全相同的小球接触后分开,两球互相排斥,说明原来两球所带电荷量的代数和不等于零.若原来两小球分别带有等量的异种电荷,则接触后将发生中和,两球均不带电,不会发生排斥现象,故选项B正确.
7.(多选)用金属箔做成一个不带电的圆环,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,将笔套自上向下慢慢靠近圆环,当距离约为0.5cm时圆环被吸引到笔套上,如图1所示.对上述现象的判断与分析,下列说法正确的是( )
图1
A.摩擦使笔套带电
B.笔套靠近圆环时,圆环上、下部感应出异号电荷
C.圆环被吸引到笔套的过程中,圆环所受静电力的合力大于圆环的重力
D.笔套碰到圆环后,笔套所带的电荷立刻被全部中和
答案 ABC
解析 笔套与头发摩擦后,能够吸引圆环,说明笔套上带了电荷,即摩擦使笔套带电,选项A正确;笔套靠近圆环时,由于静电感应,会使圆环上、下部感应出异号电荷,选项B正确;圆环被吸引到笔套的过程中,有向上的加速度,故圆环所受静电力的合力大于圆环所受的重力,故选项C正确;笔套碰到圆环后,笔套上的部分电荷转移到圆环上,使圆环带上性质相同的电荷,选项D错误.
题组三 验电器及其原理
8.(多选)如图2所示,是一个带正电的验电器,当一个金属球A靠近验电器上的金属小球B时,验电器中金属箔片的张角减小,则( )
图2
A.金属球A可能不带电
B.金属球A一定带正电
C.金属球A可能带负电
D.金属球A一定带负电
答案 AC
解析 验电器上的金属箔片和金属球都带有正电荷,金属箔片之所以张开,是由于箔片上的正电荷互相排斥造成的.当验电器金属箔片的张角减小时,说明箔片上的正电荷一定比原来减少了,由于金属球A只是靠近验电器而没有与验电器上的金属球B发生接触,要考虑感应起电的影响.当金属球A靠近时,验电器的金属球B、金属杆包括金属箔片整体相当于一个导体,金属球A离金属球B较近,而离金属箔片较远.如果金属球A带正电,验电器上的正电荷一定向远处移动,则金属箔片上的电荷量不会减少,所以选项B是错误的.如果金属球A带负电,验电器上的正电荷会由于引力作用向近端移动,造成金属箔片上的电荷量减少,所以选项C是正确的.如果金属球A不带电,由于受到金属球B上正电荷的影响,金属球A上靠近B的部分也会由于静电力的作用出现负电荷,而这些负电荷反过来会使得验电器上的正电荷向金属球B移动,效果与金属球A带负电荷一样.所以选项A也是正确的,选项D是错误的.
9.如图3所示,有一金属箔验电器,起初金属箔闭合,当带正电的棒靠近验电器上部的金属板时,金属箔张开.在这个状态下,用手指接触验电器的金属板,金属箔闭合,当手指从金属板上离开,然后使棒也远离验电器,金属箔的状态将发生变化,从图中的①~④4个选项中选取一个正确的答案( )
图3
A.图①B.图②C.图③D.图④
答案 B
解析 手指接触一下金属板,金属板上带负电,人体所连的大地是远端,远端带正电,故金属箔闭合;手指离开,金属板仍带负电,且在金属板的静电屏蔽下,金属箔不带电;当棒远离时,金属板上的负电荷有一部分转移到金属箔上,由于金属箔带同种电荷,所以金属箔张开,B正确.
题组四 对电荷守恒定律及电荷量的理解
10.如图4所示,导体A带电荷量为5q的正电荷,另一完全相同的导体B带电荷量为q的负电荷,将两导体接触一会儿后再分开,则B导体带的电荷量为( )
图4
A.-qB.qC.2qD.4q
答案 C
解析 相同带电体接触后,电荷量先中和,后平分.故选项C正确.
11.(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1.6×10-10C,下列判断中正确的是( )
A.在摩擦前A和B的内部电荷量为零
B.摩擦的过程中电子从A转移到了B
C.A在摩擦过程中一定得到了1×109个电子
D.A在摩擦过程中一定失去了1.6×10-19C电子
答案 AC
12.如图5所示,大球A原来的电荷量为Q,小球B原来不带电,现在让小球与大球接触,达到静电平衡时,小球获得的电荷量为q;现给A球补充电荷,使其电荷量为Q,再次让小球接触大球,每次都给大球补充到电荷量为Q,问:
经过多次接触后,小球的带电荷量为多少?
图5
答案
解析 由于两个球的大小不等,所以在接触过程中,两球的电荷量分配比例不是1∶1,但应该是一个确定的值.根据第一次接触达到静电平衡时两者的电荷关系可知,此比例为(Q-q)∶q.经过多次接触后,从大球上迁移到小球上的电荷量越来越少,最终将为零,设B球最终带电荷量为q′,则有
=
,解得q′=
.
13.如图6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:
图6
(1)金属瓶上收集到多少个电子?
(2)实验的时间为多长?
答案
(1)5×107个
(2)5000s
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.
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