电荷及其守恒定律

1、 第一章 静电场静电场 富兰克 林统一 天电、 地电 电荷及其守恒定律 库仑定律 历史的回顾 电荷亦称电，是实物的一种属性电荷亦称电，是实物的一种属性 人们对电的认识最初来自摩擦起电现象和自然界的雷电 现象 例如，在公元3世纪，我国晋朝张华的博物志中就 有记载：“今人梳头，解着衣，有随梳解结，有光者， 亦有咤声”这是世界上关于摩擦起电引起闪光和噼啪 之声的较早记载古人发现，用毛皮摩擦过的琥珀能够 吸引羽毛、头发等轻小物体随后人们进一步发现，摩 擦后能够吸引轻小物体的现象并不是琥珀所独有的，像 玻璃棒、火漆棒、硬橡胶棒、硫磺块或水晶块等，用毛 皮或丝绸摩擦后也能吸引轻小物体 凡是物体有了上述吸引

2、轻小物体的性质，我们就说凡是物体有了上述吸引轻小物体的性质，我们就说 它带了电它带了电 当时因认识水平有限，人们还并不明了电的本质，认 为电是依附在物体上的，因而把它称为电荷电荷，并把电 荷的携带者称为带电体带电体习惯上也常常把带电的微粒 叫电荷电荷例如运动电荷、自由电荷等，这种名称一直 沿用到现在 实验证明，自然界中只存在两种性质的电荷，而且自然界中只存在两种性质的电荷，而且 同种电荷互相排斥；异种电荷互相吸引同种电荷互相排斥；异种电荷互相吸引 为了区别两种电荷，历史上由美国富兰克林富兰克林首先提出： 把用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷叫负电荷负电荷，而 把绸子摩擦过的玻璃棒所带的电荷叫电正

3、荷这种规 定完全是人为的，并具有相对性，但国际上一直沿用 到今天 一、电荷一、电荷 电荷是一种物质属性电荷是一种物质属性 1、自然界中有两种电荷、自然界中有两种电荷（富兰克林命名）富兰克林命名） （1）正电荷：）正电荷： 丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷 （2）负电荷：）负电荷： 毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷 同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。 + _ 原子原子 （中性）（中性） 原子核原子核 核外电子核外电子 质子质子 中子中子 （正电正电） （不带电（不带电） 质子和中子之间有强相互作用质子和中子之间

4、有强相互作用核力核力 离原子核较远的电子容易受到外界的离原子核较远的电子容易受到外界的 作用而脱离原子作用而脱离原子 使物体带电的方法： 1 1、摩擦起电、摩擦起电 摩擦起电.swf 摩擦起电机理：摩擦起电机理： 现代科学早已把物质结构的秘密揭开：物质都是由分子组 成而分子由原子组成，原子是由一个带正电的原子核和一 定数目的绕核运动的带负电的电子组成 原子核所带正电量的总数与核外所有电子的负电量总数是相 等的，且正电荷、负电荷分布的中心（常称电荷中心）重 合因而，在通常情况下，整个原子呈电中性（所谓不带 电） 当原子因某种原因（如摩擦、受热、化学变化等），而失去 一个或几个电子时，原子就显为“

5、带正电”，获得额外电子 时，就显为“带负电”所以，实质上物体的带电过程就是 电子的得失过程比如用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的正电荷， 实质上就是由于两者摩擦，组成玻璃棒的原子上的若干电子 转移到丝绸上，使玻璃棒失去电子带正电，而丝绸得到电子 带负电 摩擦起电微观解释：摩擦起电微观解释： 电子从一个物体电子从一个物体转移转移到另一个物体上。到另一个物体上。 得到电子：带负电得到电子：带负电 失去电子：带正电失去电子：带正电 金属导电机理：金属导电机理： 金属内有自由金属内有自由 移动的电子移动的电子 自由电子自由电子 每个正离子每个正离子 都在自己的平都在自己的平 衡位置附近振衡位置附近振 动而不移

6、动。动而不移动。 2 2、感应起电、感应起电 使物体带电的方法： 演示演示 （1 1）静电感应静电感应：把电荷移近不带电的导：把电荷移近不带电的导 体，可以使导体带电的现象，叫做静电体，可以使导体带电的现象，叫做静电 感应感应 （2 2）感应起电感应起电：利用静电感应使物体：利用静电感应使物体 带电，叫做感应起电带电，叫做感应起电 规律：规律：近端感应异种电荷，近端感应异种电荷， 远端感应同种电荷远端感应同种电荷 （3 3）静电感应微观解释：把带正电的球移近金）静电感应微观解释：把带正电的球移近金 属导体属导体A A和和B B时，导体上的自由电子被吸引过来，时，导体上的自由电子被吸引过来， 因

7、此导体因此导体A A和和B B带上了等量的异种电荷感应起带上了等量的异种电荷感应起 电没有创造电荷，而是使物体中的正负电荷分开，电没有创造电荷，而是使物体中的正负电荷分开， 将电荷从物体的一部分转移到另一部分将电荷从物体的一部分转移到另一部分 使物体带电的方法： 3 3、接触带电、接触带电 接触后接触后 再分开再分开 +Q Q 2 1 Q 2 1 +Q 接触后接触后 再分开再分开 Q3Q QQ 微观解释：微观解释： 电荷从一个物体转移到另一个物体电荷从一个物体转移到另一个物体 接触带电电荷分配原则接触带电电荷分配原则 两个带有同种电荷的导体接触，电荷会重两个带有同种电荷的导体接触，电荷会重 新

8、分配，若不受外界影响，两个完全相同的新分配，若不受外界影响，两个完全相同的 带电导体带电导体, ,接触后再分开接触后再分开, ,二者将原来所带电量二者将原来所带电量 的总和平均分配的总和平均分配 两个带有异种电荷的导体，接触后先发生两个带有异种电荷的导体，接触后先发生 正负电荷的中和，然后剩下的电荷量再进行正负电荷的中和，然后剩下的电荷量再进行 电荷的重新分配；如果两带电体完全相同，电荷的重新分配；如果两带电体完全相同， 则剩下的电荷平均分配则剩下的电荷平均分配 验电器1.swf 是否只有当带电体与导体棒的上端直接是否只有当带电体与导体棒的上端直接 接触时，金属箔片才开始张开？解释下面接触时，

9、金属箔片才开始张开？解释下面 将要看到的现象将要看到的现象。 验电器2.swf 当带电导体棒靠近验电器上端的金属当带电导体棒靠近验电器上端的金属 球时，由于静电感应，金属球带与导体球时，由于静电感应，金属球带与导体 棒相反的电荷，金属箔带与导体棒相同棒相反的电荷，金属箔带与导体棒相同 的电荷的电荷 1 1、起电的本质、起电的本质 无论是哪种起电方式无论是哪种起电方式, ,其本质都其本质都 是将正、负电荷分开是将正、负电荷分开, ,使电荷发生使电荷发生 转移，并不是创造电荷转移，并不是创造电荷. . 二、电荷守恒定律：二、电荷守恒定律： 2 2、电荷守恒定律、电荷守恒定律 （物理学的基本定律之一

10、） 电荷既不能创造电荷既不能创造, ,也不能消灭也不能消灭, ,它它 只能从一个物体转移到另一个物只能从一个物体转移到另一个物 体体, ,或从物体的一部分转移到另一或从物体的一部分转移到另一 部分部分, ,在转移的过程中，系统的电在转移的过程中，系统的电 荷总数保持不变荷总数保持不变. . 电荷守恒定律是大量实验事实的总结，适用于迄今 所知的一切宏观过程和微观过程。质子和电子是正 负电荷的基本单元。在各种物理过程中，电子和质 子总数不变，只是组合方式或所在位置有所改变， 因而电荷守恒是十分自然的。 值得指出的，近代物理学发现了大量有关基本粒子 互相转化的事实。例如正、负电子e+、e-对撞湮 没

11、，产生两个光子；在这些过程中，出现了电荷 的消失或产生，但反应物的总电荷等于生成物的总 电荷，电荷仍守恒。这意味着电荷守恒具有更深刻 的根源。 电荷守恒定律是物理学的基本定律之一。它指出，对于 一个孤立系统，不论发生什么变化，其中所有电荷的代数 和永远保持不变。电荷守恒定律表明，如果某一区域中的 电荷增加或减少了，那么必定有等量的电荷进入或离开该 区域；如果在一个物理过程中产生或消失了某种符号的电 荷，那么必定有等量的异号电荷同时产生或消失。 因此，电荷守恒定律又可表示 为：一个与外界没有电荷交换 的系统，电荷的代数和总是保 持不变的。 . 4 的整数倍，或者是或者等于 ，所有带电体的电荷量均

12、为、电子和质子的电荷量 ee e 三、元电荷 .1060. 12 19 称为元电荷电荷量、元电荷：Ce Ce 19 1060. 13 、元电荷的值： )/ 5 mq叫做比荷（ 量与其质量的比值，、比荷：带电体的电荷 kgC kg C m e e /1076. 1 1091. 0 1060. 1 11 30 19 电子的比荷为： 电荷的多少，简称电量。单位电荷的多少，简称电量。单位: :库仑库仑 C C 元电荷的数值最早是由美国科学家密元电荷的数值最早是由美国科学家密 立根用实验测得到的立根用实验测得到的 比较电荷带电的多少，要比较的是其比较电荷带电的多少，要比较的是其 电荷量的绝对值，绝对值大

13、的带电多尽电荷量的绝对值，绝对值大的带电多尽 管电荷量有正负值（正号一般省略），要管电荷量有正负值（正号一般省略），要 知道这里的知道这里的“”、“”号不表示电荷号不表示电荷 量的大小，只代表电荷的性质（种量的大小，只代表电荷的性质（种 类）一般，正电荷的电量用正值表示，类）一般，正电荷的电量用正值表示， 负电荷的电量用负值表示负电荷的电量用负值表示 1 1、科学家在研究原子、原子核及基本粒子、科学家在研究原子、原子核及基本粒子 时，为了方便，常常用元电荷作为电量的时，为了方便，常常用元电荷作为电量的 单位，关于元电荷，下列论述正确的是：单位，关于元电荷，下列论述正确的是： A A、把质子或电

14、子叫元电荷、把质子或电子叫元电荷 B B、1.601.601010-19 -19C C的电量叫元电荷 的电量叫元电荷 C C、电子带有最小的负电荷，其电量、电子带有最小的负电荷，其电量 的绝对值叫元电荷的绝对值叫元电荷 D D、质子带有最小的正电荷，其电量、质子带有最小的正电荷，其电量 的绝对值叫元电荷的绝对值叫元电荷 B、C、D 课堂训练课堂训练 2 2、有、有A A、B B、C C三个塑料小球，三个塑料小球，A A和和B B，B B和和 C C，C C和和A A间都是相互吸引的，如果间都是相互吸引的，如果A A带正带正 电，则电，则 ： A AB B、C C球均带负电球均带负电 B BB

15、B球带负电，球带负电，C C球带正电球带正电 C CB B、C C球中必有一个带负电，而另球中必有一个带负电，而另 一个不带电一个不带电 D DB B、C C球都不带电球都不带电 C 3 3、如图所示、如图所示,A,A、B B是被绝缘支架分别架起的金属球是被绝缘支架分别架起的金属球, ,并相隔并相隔 一定距离一定距离, ,其中其中A A带正电带正电,B,B不带电不带电, ,则以下说法中正确的是则以下说法中正确的是: : A.A.导体导体B B带负电带负电; ; B.B.导体导体B B左端出现负电荷左端出现负电荷, ,右端出现正电荷右端出现正电荷, ,并且并且 电荷量大小相等电荷量大小相等; ;

16、 C.C.若若A A不动不动, ,将将B B沿图中沿图中aaaa分开分开, ,则两边的电荷则两边的电荷 量量 大小可能不等大小可能不等, ,与如何分有关与如何分有关; ; D.D.若若A A向向B B逐渐靠近逐渐靠近, ,在在B B左端和右端的电荷量大左端和右端的电荷量大 小始终相等并且连续变化小始终相等并且连续变化; ; E. E.若若A A、B B接触一下接触一下,A,A、B B金属体所带总电荷量金属体所带总电荷量 保持不变保持不变. . B A a a BE 负电荷负电荷 负电荷负电荷 AB + Q 4 4、如图所示，导体棒、如图所示，导体棒ABAB靠近带正电的导体靠近带正电的导体QQ

17、放置用手接触放置用手接触B B端，移去手指再移去端，移去手指再移去QQ， ABAB带何种电荷带何种电荷 _ _ 若手的接触点若手的接触点 改在改在A A端，情况又如何端，情况又如何_ _ 。 5 5、用一根跟毛皮摩擦过的硬橡胶棒，靠近不带、用一根跟毛皮摩擦过的硬橡胶棒，靠近不带 电验电器的金属小球电验电器的金属小球a a，然后用手指瞬间接触，然后用手指瞬间接触 一下金属杆一下金属杆c c后拿开橡胶棒，这时验电器小球后拿开橡胶棒，这时验电器小球A A 和金箔和金箔b b的带电情况是的带电情况是 （ ） A Aa a带正电，带正电，b b带负电带负电 B Ba a带负电，带负电，b b带正电带正电

18、 C Ca a、b b均带正电均带正电 D Da a、b b均带负电均带负电 E Ea a、b b均不带电均不带电 a b c C 同种电荷相互排斥同种电荷相互排斥 异种电荷相互吸引异种电荷相互吸引 既然电荷之间存在相互作用，那么电荷既然电荷之间存在相互作用，那么电荷 之间相互作用力的大小决定于那些因素呢？之间相互作用力的大小决定于那些因素呢？ 猜想猜想 猜想猜想 1 1、可能跟电荷电量有关、可能跟电荷电量有关 2 2、可能与两个电荷间的距离有关、可能与两个电荷间的距离有关 探究影响电荷间相互作用力的因素探究影响电荷间相互作用力的因素 演示演示 实验表明：实验表明：电荷之间的作用力电荷之间的作

19、用力 （1）随电荷量的增大而增大）随电荷量的增大而增大 （2）随距离的增大而减少）随距离的增大而减少 库仑定律库仑定律 内容:真空中真空中两个静止两个静止点电荷点电荷之间的相互之间的相互 作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，作用力，与它们的电荷量的乘积成正比， 与它们的距离的二次方成反比，作用力与它们的距离的二次方成反比，作用力 的方向在它们的连线上。的方向在它们的连线上。 大小： 12 2 q q Fk r 其中其中K K叫静电力常量：叫静电力常量：k=9.0k=9.010109 9NNmm2 2/C/C2 2 适用范围：适用范围：1. 1.真空中；真空中； 2.2.点电荷点电荷. . 电荷

20、间相互作用力叫做电荷间相互作用力叫做静电力静电力或或库仑力库仑力. 点电荷点电荷 1 1、在研究带电体间的相互作用时，如果带电、在研究带电体间的相互作用时，如果带电 体本身的线度远小于它们之间的距离带电体体本身的线度远小于它们之间的距离带电体 本身的大小，对我们所讨论的问题影响甚小，本身的大小，对我们所讨论的问题影响甚小， 相对来说可把带电体视为一几何点，并称它为相对来说可把带电体视为一几何点，并称它为 点电荷。点电荷。 2 2、点电荷是实际带电体在一定条件下的抽象，、点电荷是实际带电体在一定条件下的抽象， 是为了简化某些问题的讨论而引进的一个理想是为了简化某些问题的讨论而引进的一个理想 化的

21、模型。化的模型。 3 3、点电荷本身的线度不一定很小，它所带的、点电荷本身的线度不一定很小，它所带的 电量也可以很大。点电荷这个概念与力学中的电量也可以很大。点电荷这个概念与力学中的 “质点质点”类似。类似。 思考题思考题 两个靠近的带电球体，是否可以看两个靠近的带电球体，是否可以看 出是集中在球心位置的点电荷？出是集中在球心位置的点电荷？ 如果是两个球形带电如果是两个球形带电导体导体： 不可以不可以 如果是两个如果是两个电荷分布均匀电荷分布均匀的带电的带电球体球体 可以可以 课堂训练课堂训练 1 1、关于点电荷的下列说法中正确的是：、关于点电荷的下列说法中正确的是： A .A .真正的点电荷

22、是不存在的真正的点电荷是不存在的 B .B .点电荷是一种理想模型点电荷是一种理想模型 C .C .足够小的电荷就是点电荷足够小的电荷就是点电荷 D .D .一个带电体能否看成点电荷，不是看它的尺寸大小，而是一个带电体能否看成点电荷，不是看它的尺寸大小，而是 看它的形状和大小对所研究的问题的影响是否可以忽略不计看它的形状和大小对所研究的问题的影响是否可以忽略不计 A B D A B D 课堂训练课堂训练 2 2、下列说法中正确的是：、下列说法中正确的是： A .A .点电荷就是体积很小的电荷点电荷就是体积很小的电荷 B .B .点电荷就是体积和带电量都很小点电荷就是体积和带电量都很小 的带电体

23、的带电体 C .C .根据根据 可知，当可知，当r 0 r 0 时，时， F F D .D .静电力常量的数值是由实验得到的静电力常量的数值是由实验得到的 12 2 q q Fk r D D 1.F1.F与与r r有关有关 库仑的实验库仑的实验 研究方法研究方法：控制变量法控制变量法. . 库仑扭秤1 库仑扭秤3 结论：保持两球上的电量不变，改变两球结论：保持两球上的电量不变，改变两球 之间的距离之间的距离r r，从实验结果中库仑得出静电，从实验结果中库仑得出静电 力与距离的平方成反比，即力与距离的平方成反比，即 F1/rF1/r2 2 2.F2.F与与q q有关有关 库仑扭秤1 库仑扭秤2 库仑的实验库仑的实验 结论：保持两球间的距离不变，改变两球结论：保持两球间的距离不变，改变两球 的带电量，从实验结果中库仑得出静电力的带电量，从实验结果中库仑得出静电力 与电量的乘积成正比，即与电量的乘积成正比，即 F qF q1