《静电现象及其微观解释》学案2

《静电现象及其微观解释》学案2一、学习目标1.了解静电现象，知道常见的静电现象实例。2.理解静电现象的微观解释，掌握电荷守恒定律。3.知道元电荷的概念，了解电荷量的单位。4.掌握三种起电方式及其本质。二、知识梳理（一）静电现象1.静电现象是一种常见的自然现象，生活中许多地方都存在静电现象。例如，在干燥的天气里，用塑料梳子梳头，头发会随着梳子飘起来；脱毛衣时会听到噼里啪啦的声音，还能看到火花等。（二）电荷1.电荷的种类自然界中存在两种电荷，正电荷和负电荷。用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷，用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电荷。2.电荷的性质同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。3.电荷量电荷的多少叫做电荷量，用(Q)或(q)表示，单位是库仑，简称库，符号是(C)。4.元电荷电子所带的电荷量是最小的电荷量，这个最小的电荷量叫做元电荷，用(e)表示，(e=1.60×10^{19}C)。任何带电体所带电荷量都是元电荷的整数倍。（三）起电方式1.摩擦起电（1）定义：当两个物体相互摩擦时，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。（2）本质：摩擦起电的本质是电子的转移。2.感应起电（1）定义：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。（2）本质：感应起电的本质也是电子的转移。3.接触起电（1）定义：一个不带电的导体跟另一个带电的导体接触后分开，使不带电的导体带上电荷的方式叫做接触起电。（2）本质：接触起电的本质同样是电子的转移。（四）电荷守恒定律1.内容：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.另一种表述：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。三、典型例题1.关于摩擦起电和感应起电的实质，下列说法正确的是（）A.摩擦起电现象说明了机械能可以转化为电能，也说明通过做功可以创造电荷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个部分转移到物体另一个部分D.感应起电说明电荷从带电的物体转移到原来不带电的物体上去了答案：BC分析：摩擦起电和感应起电的本质都是电子的转移，电荷不能被创造也不能被消灭。摩擦起电是电荷从一个物体转移到另一个物体，感应起电是电荷在物体内部从一个部分转移到另一个部分。2.有(A)、(B)、(C)三个塑料小球，(A)和(B)，(B)和(C)，(C)和(A)间都是相互吸引的，如果(A)带正电，则（）A.(B)、(C)球均带负电B.(B)球带负电，(C)球带正电C.(B)、(C)球中必有一个带负电，而另一个不带电D.(B)、(C)球都不带电答案：C分析：已知(A)带正电，(A)和(B)相互吸引，则(B)可能带负电，也可能不带电；(B)和(C)相互吸引，若(B)带负电，(C)可能带正电或不带电，若(B)不带电，(C)可能带正电或负电；又因为(C)和(A)相互吸引，所以(C)不可能带正电，那么(B)、(C)球中必有一个带负电，而另一个不带电。3.把两个完全相同的金属球(A)和(B)接触一下，再分开一段距离，发现两球之间相互排斥，则(A)、(B)两球原来的带电情况不可能是（）A.(A)和(B)原来带有等量异种电荷B.(A)和(B)原来带有同种电荷C.(A)和(B)原来带有不等量异种电荷D.(A)原来带电，(B)原来不带电答案：A分析：若(A)和(B)原来带有等量异种电荷，接触后电荷完全中和，两球都不带电，不会相互排斥；若(A)和(B)原来带有同种电荷，接触后电荷重新分配，两球仍带同种电荷，会相互排斥；若(A)和(B)原来带有不等量异种电荷，接触后先中和一部分电荷，剩余电荷再重新分配，两球带同种电荷，会相互排斥；若(A)原来带电，(B)原来不带电，接触后电荷会转移到(B)上，两球带同种电荷，会相互排斥。4.毛皮与橡胶棒摩擦后，毛皮带正电，这是因为（）A.毛皮上的一些电子转移到橡胶棒上B.毛皮上的一些正电荷转移到橡胶棒上C.橡胶棒上的一些电子转移到毛皮上D.橡胶棒上的一些正电荷转移到毛皮上答案：A分析：摩擦起电的本质是电子的转移，毛皮与橡胶棒摩擦时，毛皮上的一些电子转移到橡胶棒上，毛皮因失去电子而带正电，橡胶棒因得到电子而带负电。5.关于元电荷的理解，下列说法正确的是（）A.元电荷就是电子B.元电荷是表示跟电子所带电荷量数值相等的电荷量C.元电荷就是质子D.物体所带的电荷量只能是元电荷的整数倍答案：BD分析：元电荷是最小的电荷量，电子和质子所带电荷量的绝对值与元电荷相等，但元电荷不是电子也不是质子，物体所带的电荷量只能是元电荷的整数倍。四、课堂练习1.下列现象中不属于摩擦起电的是（）A.用被毛皮摩擦过的橡胶棒靠近碎纸屑时，纸屑被吸起B.在干燥的天气中脱毛线衣时，会听到轻微的噼啪声C.擦黑板时粉笔灰纷纷飞扬，四处飘落D.穿着化纤类织物的裤子走路时，裤腿上常容易吸附灰尘答案：C分析：A、B、D选项都是摩擦起电现象，而C选项中粉笔灰飞扬是由于外力作用，不是摩擦起电。2.有两个完全相同的金属小球(P)和(Q)（它们的大小可忽略不计），分别带电荷量(q)和(5q)。当它们在真空中相距一定距离时，彼此间作用力为(F)，若用绝缘手柄移动这两个小球将它们相接触后再放回原处，则它们之间的静电力变为（）A.(F)B.(0.8F)C.(4F/5)D.(5F/4)答案：B分析：两球接触前库仑力(F=kfrac{qtimes5q}{r^{2}})，接触后两球带电量都为(frac{q+(5q)}{2}=2q)，则接触后库仑力(F'=kfrac{2qtimes2q}{r^{2}}=frac{4}{5}kfrac{qtimes5q}{r^{2}}=0.8F)。3.把一个带正电的金属球(A)跟不带电的同样的金属球(B)相碰，两球都带等量的正电荷，这是因为（）A.(A)球的正电荷移到(B)球上B.(B)球的负电荷移到(A)球上C.(A)球的负电荷移到(B)球上D.(B)球的正电荷移到(A)球上答案：B分析：金属导体中能自由移动的是电子（负电荷），带正电的金属球(A)与不带电的金属球(B)相碰时，(B)球的负电荷（电子）移到(A)球上，使两球都带正电。4.关于电荷守恒定律，下列说法正确的是（）A.电荷守恒定律只适用于摩擦起电现象B.电荷守恒定律只适用于感应起电现象C.天空中云层的带电过程，不遵守电荷守恒定律D.任何起电过程现象都遵守电荷守恒定律答案：D分析：电荷守恒定律适用于任何起电过程，包括摩擦起电、感应起电、接触起电等，天空中云层的带电过程也遵守电荷守恒定律。5.如图所示，将带正电的球(C)移近不带电的枕形金属导体时，枕形导体上电荷的移动情况是（）A.枕形导体中的正电荷向(B)端移动，负电荷不移动B.枕形导体中电子向(A)端移动，正电荷不移动C.枕形导体中的正、负电荷同时分别向(B)端和(A)端移动D.枕形导体中的正、负电荷同时分别向(A)端和(B)端移动答案：B分析：金属导体中能自由移动的是电子（负电荷），当带正电的球(C)移近不带电的枕形金属导体时，电子受到吸引向(A)端移动，正电荷（原子核）不移动。五、课后作业1.用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶棒，分别去接触验电器的金属球，验电器的金属箔片都张开，关于这一现象，下列说法正确的是（）A.两个验电器都带负电B.两个验电器都带正电C.一个验电器带正电，另一个验电器带负电D.无法确定答案：C分析：用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，接触验电器金属球时，验电器带正电；用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电，接触验电器金属球时，验电器带负电。2.把一个带负电的物体靠近一个原来不带电的验电器的金属小球，然后用手去触摸金属小球，再移开手，此时（）A.验电器金属小球和金属箔均不带电B.验电器金属小球带正电，金属箔不带电C.验电器金属小球带正电，金属箔带正电D.验电器金属小球带正电，金属箔带负电答案：B分析：带负电的物体靠近验电器金属小球时，金属小球感应出正电荷，金属箔感应出负电荷。用手触摸金属小球时，大地中的电子通过人体转移到验电器上，中和金属箔上的负电荷，使金属箔不带电，而金属小球仍带正电。3.有三个相同的绝缘金属小球(A)、(B)、(C)，其中(A)球带有(2.0×10^{5}C)的正电荷，(B)球带有(2.0×10^{5}C)的负电荷，(C)球不带电。先将(C)球与(A)球接触后分开，再将(C)球与(B)球接触然后分开，最终三球的带电荷量分别为(q_{A}=)______(C)，(q_{B}=)______(C)，(q_{C}=)______(C)。答案：(1.0×10^{5})；(5×10^{6})；(5×10^{6})分析：(C)球与(A)球接触后，(A)、(C)两球带电量都为(frac{2.0×10^{5}}{2}=1.0×10^{5}C)；再将(C)球与(B)球接触，总电量为(1.0×10^{5}+(2.0×10^{5})=1.0×10^{5}C)，则(B)、(C)两球带电量都为(frac{1.0×10^{5}}{2}=5×10^{6}C)。4.如图所示，当将带正电的球(C)移近不带电的枕形金属导体时，枕形导体上的电荷移动情况是（）A.枕形导体中的正电荷向(B)端移动，负电荷不移动B.枕形导体中的负电荷向(A)端移动，正电荷不移动C.枕形导体中的正、负电荷同时分别向(B)端和(A)端移动D.枕形导体中的正、负电荷同时分别向(A)端和(B)端移动答案：B分析：金属导体中能自由移动的是电子（负电荷），当带正电的球(C)移近不带电的枕形金属导体时，电子受到吸引向(A)端移动，正电荷（原子核）不移动。5.把两个完全相同的金属球(A)和(B)接触一下，再分开一段距离，发现两球之间相互排斥，则(A)、(B)两球原来的带电情况不可能是（）A.(A)和(B)原来带有等量异种电荷B.(A)和(B)原来带有同种电荷C.(A)和(B)原来带有不等量异种电荷D.(A)原来带电，(B)原来不带电答案：A分析：若(A)和(B)原来带有等量异种电荷，接触后电荷完全中和，两球都不带电，不会相互排斥；若(A)和(B)原来带有同种电荷，接触后电荷重新分配，两球仍带同种电荷，会相互排斥；若(A)和(B)原来带有不等量异种电荷，接触后先中和一部分电荷，剩余电荷再重新分配，两球带同种电荷，会相互排斥；若(A)原来带电，(B)原来不带电，接触后电荷会转移到(B)上，两球带同种电荷，会相互排斥。六、拓展提高1.如图所示，有一带正电的验电器，当一金属球(A)靠近验电器的小球(B)（不接触）时，验电器的金箔张角减小，则（）A.金属球可能不带电B.金属球可能带负电C.金属球可能带正电D.金属球一定带负电答案：AB分析：当金属球(A)靠近验电器的小球(B)时，验电器的金箔张角减小，说明验电器上的电荷减少了。若金属球(A)不带电，由于静电感应，验电器上的部分电荷会分布到靠近(A)的一端，使金箔上的电荷减少，张角减小；若金属球(A)带负电，会吸引验电器上的正电荷，使金箔上的电荷减少，张角减小。2.有两个完全相同的绝缘金属球(A)、(B)，(A)球所带电荷量为(q)，(B)球所带电荷量为(q)，现要使(A)、(B)两球所带电荷量都为(frac{q}{4})，应该怎样实现？答案：先将(A)球与一个不带电的完全相同的绝缘金属球(C)接触，此时(A)、(C)两球带电量都为(frac{q}{2})；再将(B)球与(C)球接触，此时(B)、(C)两球带电量都为(frac{q+frac{q}{2}}{2}=frac{q}{4})；最后将(A)球与(B)球接触，此时(A)、(B)两球带电量都为(frac{frac{q}{2}+(frac{q}{4})}{2}=frac{q}{4})。分析：根据接触起电的规律，相同的金属球接触后电荷会平均分配，通过逐步操作实现两球带电量都为(frac{q}{4})。3.如图所示，将用绝缘支柱支持的不带电金属导体(A)和(B)接触，再将带正电的导体(C)移近导体(A)，然后把导体(A)、(B)分开，再移去(C)，则（）A.导体(A)带负电，导体(B)带正电B.导体(A)带正电，导体(B)带负电C.导体(A)、(B)都带正电D.导体(A)、(B)都带负电答案：A分析：带正电的导体(C)移近导体(A)时，由于静电感应，导体(A)靠近(C)的一端感应出负电荷，导体(B)远离(C)的一端感应出正电荷。把导体(A)、(B)分开，再移去(C)，导体(A)带负电，导体(B)带正电。4.有三个完全相同的金属小球(A)、(B)、(C)，(A)带电荷量为(7Q)，(B)带电荷量为(Q)，(C)球不带电。将(A)、(B)固定起来，然后让(C)球反复与(A)、(B)球接触，最后移去(C)球，则(A)、(B)球间的库仑力变为原来的（）A.(frac{3}{7})B.(frac{4}{7})C.(frac{9}{7})D.(frac{16}{7})答案：C分析：(C)球反复与(A)、(B)球接触后，三球带电量都为(frac{7Q+(Q)}{3}=2Q)。接触前(A)、(B)间库仑力(F=kfrac{7QtimesQ}{r^{2}})，接触后(A)、(B)间库仑力(F'=kfrac{2Qtimes2Q}{r^{2}}=frac{4}{7}kfrac{7QtimesQ}{r^{2}}=frac{9}{7}F)。5.如图所示，用起电机使金属球(A)带上正电，靠近验电器(B)，则（）A.验电器金属箔片不张开，因为球(A)没有和(B)接触B.验电器金属箔片张开，因为整个验电器都带上了正电C.验电器金属箔片张开，因为整个验电器都带上了负电D.验电器金属箔片张开，因为验电器下部箔片都带上了正电答案：D分析：带正电的金属球(A)靠近验电器(B)时，由于静电感应，验电器的金属球感应出负电荷，金属箔片感应出正电荷，所以金属箔片张开。七、概念辨析1.关于静电感应和感应起电，以下说法正确的是（）A.静电感应是由于导体内的自由电子受电场力作用的结果B.感应起电是导体内的自由电子在外界电场作用下定向移动的结果C.感应起电是导体内的电荷在外力作用下重新分布的过程D.感应起电是导体内的自由电子在外力作用下定向移动的过程答案：ABCD分析：静电感应是由于导体内的自由电子受外界电场力作用，在导体内重新分布；感应起电是导体内的自由电子在外界电场作用下定向移动，使导体两端出现等量异种电荷，是导体内的电荷在外力（电场力）作用下重新分布的过程。2.关于元电荷和点电荷，下列说法正确的是（）A.元电荷实质上是指电子和质子本身B.所有带电体的电荷量一定等于元电荷的整数倍C.点电荷一定是电荷量很小的电荷D.点电荷是一种理想化的物理模型答案：BD分析：元电荷是最小的电荷量，不是电子和质子本身，所有带电体的电荷量一定等于元电荷的整数倍；点电荷是一种理想化的物理模型，当带电体的形状、大小对所研究的问题影响可忽略不计时，可将其看成点电荷，与电荷量大小无关。3.下列关于摩擦起电和感应起电的说法中，正确的是（）A.摩擦起电说明电荷可以被创造B.感应起电说明电荷可以从物体的一个部分转移到另一个部分C.摩擦起电是在摩擦的过程中分别创造了正电荷与负电荷D.不论是摩擦起电还是感应起电，都是电荷的转移答案：BD分析：摩擦起电和感应起电的本质都是电荷的转移，电荷不能被创造也不能被消灭。摩擦起电是电荷从一个物体转移到另一个物体，感应起电是电荷在物体内部从一个部分转移到另一个部分。4.关于电荷守恒定律，下列说法正确的是（）A.电荷守恒定律只适用于摩擦起电和感应起电现象B.一个系统所带的电量总是守恒的C.在一个系统中，若正、负电荷同时消失，则电荷将不守恒D.不论发生什么变化，一个与外界没有电荷交换的系统的电荷总量总是不变的答案：D分析：电荷守恒定律适用于任何起电过程，一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。若正、负电荷同时消失，是发生了中和现象，电荷总量仍守恒。5.下列说法正确的是（）A.电子和质子都是元电荷B.一个带电体的电荷量为(205.5)倍的元电荷C.元电荷是最小的电荷量单位D.元电荷没有正、负之分答案：CD分析：元电荷是最小的电荷量单位，不是电子和质子，电子和质子所带电荷量的绝对值等于元电荷；任何带电体的电荷量都是元电荷的整数倍；元电荷没有正、负之分。八、综合应用1.如图所示，有两个完全相同的金属球(A)、(B)，(B)固定在绝缘地板上，(A)在离(B)高(H)的正上方由静止释放，与(B)发生正碰后回跳的高度为(h)。设碰撞中无能量损失，空气阻力不计，则（）A.若(A)、(B)带等量同种电荷，则(h>H)B.若(A)、(B)带等量同种电荷，则(h=H)C.若(A)、(B)带等量异种电荷，则(h>H)D.若(A)、(B)带等量异种电荷，则(h=H)答案：BC分析：若(A)、(B)带等量同种电荷，碰撞前后库仑力做功代数和为零，根据机械能守恒定律，(h=H)；若(A)、(B)带等量异种电荷，碰撞后两球电荷中和，碰撞前库仑力做正功，碰撞后无库仑力，根据机械能守恒定律，(h>H)。2.有三个相同的金属小球(A)、(B)、(C)，其中(A)、(B)两球带电情况完全相同，(C)球不带电。将(A)、(B)两球相隔一定距离固定起来，两球间的库仑力是(F)，若使(C)球先和(A)接触，再与(B)接触，移去(C)，则(A)、(B)间的库仑力变为（）A.(frac{F}{2})B.(frac{F}{4})C.(frac{3F}{8})D.(frac{F}{10})答案：C分析：设(A)、(B)两球带电量都为(q)，(C)球与(A)接触后，(A)、(C)两球带电量都为(frac{q}{2})；(C)球再与(B)接触，(B)、(C)两球带电量都为(frac{q+frac{q}{2}}{2}=frac{3q}{4})。接触前库仑力(F=kfrac{qtimesq}{r^{2}})，接触后库仑力(F'=kfrac{frac{q}{2}timesfrac{3q}{4}}{r^{2}}=frac{3}{8}kfrac{qtimesq}{r^{2}}=frac{3F}{8})。3.如图所示，用两根等长的细线各悬挂一个小球，并挂于同一点，已知两球质量相等，当它们带上同种电荷时，相距(L_{1})而平衡。若使它们的带电量都减少一半，待它们重新平衡后，两球间距离为(L_{2})，则（）A.(L_{2}=frac{L_{1}}{2})B.(L_{2}>frac{L_{1}}{2})C.(L_{2}<frac{L_{1}}{2})D.无法确定答案：B分析：设两球带电量都为(q)时，库仑力为(F=kfrac{q^{2}}{L_{1}^{2}})，对其中一个球受力分析，根据平衡条件可得(tantheta=frac{F}{mg})；当带电量都减少一半时，库仑力(F'=kfrac{(frac{q}{2})^{2}}{L_{2}^{2}})，由于(tantheta)增大，所以(L_{2}>frac{L_{1}}{2})。4.如图所示，在光滑绝缘水平面上，有两个带等量正电的点电荷(M)、(N)，分别固定在(A)、(B)两点，(O)为(AB)连线的中点，(CD)为(AB)的垂直平分线。在(CO)之间的(P)点由静止释放一个带负电的小球（可视为质点），在小球向(D)点运动过程中，下列说法正确的是（）A.小球的加速度一定先增大后减小B.小球的加速度一定先减小后增大C.小球的电势能一定先减小后增大D.小球的电势能一定先增大后减小答案：C分析：在(P)点释放带负电小球，小球在电场力作用下向(D)点运动，电场力先做正功，电势能减小，过(O)点后电场力做负功，电势能增大；由于(M)、(N)带等量正电，(CD)上电场强度的变化情况不确定，所以小球加速度变化情况不确定。5.如图所示，三个点电荷(q_{1})、(q_{2})、(q_{3})固定在一直线上，(q_{2})与(q_{3})的距离为(q_{1})与(q_{2})距离的(2)倍，每个电荷所受静电力的合力均为零，由此可以判定，三个电荷的电量之比(q_{1}:q_{2}:q_{3})为（）A.((9):4:(36))B.(9:4:36)C.((3):2:(6))D.(3:2:6)答案：A分析：对(q_{1})受力分析，(q_{2})、(q_{3})对(q_{1})的库仑力大小相等，方向相反，则(kfrac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}=kfrac{q_{1}q_{3}}{(3r)^{2}})；对(q_{2})受力分析，(q_{1})、(q_{3})对(q_{2})的库仑力大小相等，方向相反，则(kfrac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}=kfrac{q_{2}q_{3}}{(2r)^{2}})，联立解得(q_{1}:q_{2}:q_{3}=(9):4:(36))。九、总结归纳1.静电现象在生活中随处可见，通过摩擦起电、感应起电和接触起电等方式可以使物体带电。2.电荷有正、负之分，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，电荷量的单位是库仑，元电荷是最小的电荷量单位。3.起电的本质都是电子的转移，电荷守恒定律是自然界的基本守恒定律之一，任何起电过程都遵守该定律。4.在解决与静电现象相关的问题时，要正确分析物体的带电情况和电荷的转移过程，结合库仑定律和力学知识进行求解。十、自我检测1.关于摩擦起电和感应起电的实质，下列说法正确的是（）A.摩擦起电现象说明了机械能可以转化为电能，也说明通过做功可以创造电荷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个部分转移到另一个部分D.感应起电说明电荷从带电的物体转移到原来不带电的物体上去了答案：BC分析：摩擦起电和感应起