电荷与电流

-1-电荷与电流的计算公式电流强度的计算公式：I=Q/t得，Q=I*t.假设单位时间内电流流过的导线长度为b，此导线截面积为s，根据定义我们都应该知道电子的定向移动形成电流，单位电子电荷为e，则I=Q/T=(nes)/t=[ne(s*b)]/t=(nes)*b/t=nesv,电流强度的微观表达式可以写为：I=qnsv即q=I/nsv,其中I是电流强度，n是单位体积内的电荷数而q就是指单位电荷了，s是导体的横截面积，v是电荷运动的速度。只要知道I=Q/t得，Q=I*t.就可以了电荷耦合器件用电荷量来表示不同状态的动态移位寄存器，由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化，实现存储和传递电荷信息的固态电子器件。英文简称CCD。电荷耦合器件由美国贝尔实验室的W.S.博伊尔和G.E.史密斯于1969年发明，它由一组规则排列的金属-氧化物-半导体（MOS）电容器阵列和输入、输出电路组成。传统的固态电子器件，信息的存在和表示方式，通常是用电流或电压。而在CCD中，则是用电荷，因此CCD对信息的表达，具有更高的灵敏度。固体成像、信息处理和大容量存储器是CCD的三大主要用途。各种线阵、面阵传感器已成功地用于天文、遥感、传真、摄像等领域。CCD信号处理兼有数字和模拟两种信号处理技术的长处，在中等精度的雷达和通信系统中得到广泛的应用。CCD还可用作大容量串行存储器，其存取时间、系统容量和制造成本都介于半导体存储器和磁盘、磁鼓存储器之间。电场§9．1电荷守恒库仑定律考点聚焦1．库仑定律和电荷守恒定律是电场和电学的实验基础。库仑定律的公式为：F=kQ1Q2/r2，只适用于真空中的两个点电荷（带电体的几何形状远小于带电体之间的距离的点电荷）。2．点电荷是理想化模型，若带电体之间的距离比它们的大小大得多，带电体可视为点电荷。3．应用电荷守恒定律，应以“电荷重新分布”这个观点来分析解决问题，挖掘其隐含条件。好题精析例1．A、B、C是三个完全相同的且带有绝缘柄的金属球，已知其中一个球带电，如果A让球先后与球B、C接触，再将A、C球放在距离为R的两个位置上，测得A、C球之间的库仑力为F；之后设法让三个球恢复初始状态，让C球先后与B、A接触，再将A、C球放在距离为R的位置上，测得A、C球之间的库仑力为F/4，由此可判定，原先带电的球是__________.解析：从前后两次A、C球所受库仑力大小。可以判定，第一次A、C两球所带的电荷量较多，唯一选择是：A、B球原先不带电。第一次当A先与B相碰，A不带电荷，再与带电小球C接触，各为C球的1/2电荷量；当第二次带电小球C先与B相碰，C球剩有1/2的电荷量，再与A球接触，则A、C两球各带1/4球的电荷量，显然，根据库仑定律，第二次A、C两球间的库仑力为第一次的1/4。因此原先带电的球是C球。点评：两个大小、完全相同的带电金属球相碰后，带电量一定相等：同种电荷总电量平均分配；异种电荷先中和后平均分配。此题在分析中要注意小球接触的先后顺序。-2-例2．如图9．1－1所示，一半径为R的绝缘球壳上均匀带有+Q的电荷，另一电量为+q的电荷放在球心O上，由于对称性，点电荷受力为零。现在球壳上挖去半径为r(r＜＜R）的一个小圆孔。则此时置于球心的点电荷所受的力的大小为___________(已知静电力恒量k)，方向____________。图9．1－1解析：根据球壳完整时，由对称性得球心上的点电荷受力为零，可知挖去的小孔和剩下的部分对点电荷产生的力大小相等，方向相反。故计算剩下部分对点电荷产生的力，只要求出挖去的小圆孔对点电荷产生的力即可。由于r＜＜R，故小圆孔可以看作点电荷，这样才可由库仑定律计算。由库仑定律有F=kQ′q/R2,其中Q′＝224rRQ，得出F＝kqQr2/4R2,方向指向小孔。点评：在分析物理问题时，可将研究对象进行分割或者填补，从而使非理想模型转化为理想模型，使非对称体转化为对称体，达到简化结构的目的，而割补的对象可以是物理模型、物理过程、物理量、物理图线等。例3．如图9．1－2所示，q1、q2、q3分别表示在一条直线上的三个点电荷，已知q1和q2之间的距离为l1，q2和q3之间的距离为l2，且每个电荷都处于平衡状态。(1)如q2为正电荷，则q1为_________电荷,q3为_________电荷图9．1－2(2)q1、q2、q3三者电量大小之比_______∶_______∶_______。解析：对q2，只要q1、q3带同种电荷就可能使起处于平衡状态，而对q1、q3，若都带正电荷，各自均受到另外两个电荷的斥力，而不能保持平衡。只有同带负电荷，q2对其为引力，另外一电荷对其为斥力，当两力大小相等时才能处于平衡。对q2有：223211lqqklqqk对q1有：22131211)(llqqklqqk可得：q1∶q2∶q3=2221)(lll∶1∶2121)(lll答案为：（1）负、负（2）2221)(lll∶1∶2121)(lll点评：本题是库仑定律与质点的平衡结合，分析时要审清题意，研究对象是三个电荷都处于平衡状态。例4．如图9．1－3所示，光滑绝缘水平面上固定着A、B、C三个带电小球，它们的质量均为m，间距均为r，A、B带正电，电量均为q。现对施一水平力的同时放开三个小球，欲使三个小球在运动过程中保持间距r不变，求：（1）球的电性和电量；（2）水平力的大小。图9．1-3-－3解析：A球受到B球库仑斥力F!和C球库仑力F2后，产生水平向右加速度，故F2必为引力，C球带负电。A、B、C系统研究得：a=F/3m研究球有：marqqkrqqkc2联立可得：qc=2q，F=33·kq2/r2点评：库仑定律与力学平衡规律或牛顿运动定律综合，包含了库仑力的大小和方向、牛顿运动定律、力的合成和分解，一定要注意各部分知识的相互联系和综合运用。例5．滚筒式静电分选器由料斗A、导板B、导体滚筒C、刮板D、料槽E、F和放电针G等部件组成。及分别接于直流高压电源的正、负极，并令C接地，如图9．1－4所示。电源电压很高，足以使放电针G附近的空气发生电离而产生大量离子。现有导电性能不同的两种物质粉粒a、b的混合物从料斗A下落。沿导板B到达转动着的滚筒C，粉粒a具有良好的导电性，粉粒b具有良好的绝缘性。（1）试说明分选器的主要工作原理，即它是如何实现对不同粉粒a、b进行分选的；图9．1－4（2）粉粒经a、b分选后分别掉在哪个料槽中？（3）刮板D的作用是什么？解析：（1）放电针G附近的空气，受高压电场作用而电离。在电场力作用下，大量的电子或负离子被喷射在粉粒a、b上，使a、b带负电。带负电的物质粉粒，因具有良好的导电性，所以在与带正点的滚筒C接触后，其上的负电被C上的正电中和并带上正电。带了正电的粉粒a一方面随滚筒转动，一方面受到C上正电的静电斥力而离开滚筒，最后落于料槽F。绝缘性能良好的粉粒b，其所带负电不容易传给滚筒C。在C的静电吸引力作用下，b附着于C的表面并随C转动。最后，b中粉粒较大者在重力作用下掉入料槽E，粉粒较小者由刮板将其刮入料槽E。(2)a粉粒落入料槽F，b粉粒落入料槽E。（3）粉粒b中较小者，因其重力较小，不能借助重力落入E中。它们附着于滚筒表面随C转至D处，由刮板D将其刮入料槽E。点评：这是一道库仑力实际应用的题，要学会从具体的物理情景中经过分析和推理，将蕴涵的物理知识、物理规律反映出来，高考十分强调对知识的实际应用的考查。当堂反馈1．有三个完全一样的金属小球A、B、C，A带电7Q，B带电量－Q，C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，试问A、B间的库仑力为原来的多少倍？（4/7）2．如图9．1－5所示，三个可视为质点的金属小球A、B、C质量都是m，带正点荷量都是q，连接小球的绝缘细线均为l，则连接B、C的细线张力为______-4-_-，连接A、B的细线张力为_________.。(lkqmg452；lkqmg4522)强化训练图9．1－51．下列说法正确的是：（）A.元电荷是质子B.元电荷是电子C.元电荷是带电物体电荷量的最小值D.物体带电的电荷量是元电荷电量的整数倍2．如图9.1－6所示，两个带电小球A、B的质量分别为m1、m2，带电量分别为q1、q2。静止时两悬线与竖直方向的夹角分别为θ1、θ，且恰好处于同一水平面上，则图9．1－4A.若q1=q2,则θ1=θ2B.若q1＜q2,则θ1＞θ2C.若m1=m2,则θ1=θ2D,若m1＜m2,则θ1＞θ2图9．1－63.两个半径相等体积不能忽略的金属球相距L，它们带有同种等量电荷时，相互间的库仑力为F1，若保持它们间的距离不变，使它们带上与前次等量的、但异种电荷时，相互间的库仑力为F2，则两力大小A．F1=F2B.．F1＜F2C．F1＞F2D．无法判断4．为测定水分子是否为极性分子，可做如下实验：在酸试滴定管中注入适当蒸馏水，打开活塞，让水漫漫如线状流下，把丝绸摩擦过的玻璃棒接近水流，发现水流向靠近玻璃棒的方向偏转，这证明（）A水分子是非极性分子B.水分子是极性分子C.水分子是极性分子，且带正电D.水分子是极性分子，且带负电5．如图9．1－7所示，有两个完全相同的带电金属球AB，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正碰后回跳高度为h，设整个过程只有重力、弹力、和库仑力，且两球相碰时无能量损失，则A．.若A、B带等量同种电荷,h＞HB．若A、B带等量同种电荷,h=HC．若A、B带等量异种电荷,h＞HD．若A、B带等量异种电荷,h=H图9．1－76.如图9．1－8所示，完全相同的金属小球A和B带有等量电荷，系在-5-一个轻质绝缘弹簧两端，放在光滑绝缘水平面上，由于电荷间的相互作用，弹簧比原来缩短了x0，现将不带电的和A、B完全相同的金属球C先与A球接触一下，在与B球接触一下，然后拿走，重新平衡后的压缩图9．1－8量变为（）A.x0/4B.x0/8C大于x0/8D.小于x0/87．设氢原子核外电子的轨道半径为r，电子的质量为m，电量为e，则电子绕核做匀速圆周运动的速率为___________________，周期为__________________。8.A、B为两个带正电荷的小球，在光滑的绝缘水平面上正对、相向地在一条直线上运动，已知两球质量关系mA=mB，两球速度的大小分别为VA=2V0，VB=V0，两球带电量qA=qB，当两小球相距最近时，球的速度为___________方向与___________的初速度方向相同。9.质量分别为m和4m的A、B两个点电荷，在光滑的绝缘水平面上，均从静止开始，在相互库仑力作用力下相向运动，当它们相距L时，A的加速度为a，经过一段时间后，B的加速度也为a，那么此时刻这两个点电荷间距离是____________。10．A、B是带有等量的同种电荷的两个小球，它们的质量都是m，它们的悬线长都是l，悬线上端都固定在同一点O，B球悬线竖直，而且B球被固定不能移动，A球在力的作用下偏离B球为x的地方静止平衡；现在保持其它条件不变，用改变A球质量的方法，要使A球在距B为x/2处平衡，求A球的质量应是原质量的多少？§9．2电场电场强度及电场线考点聚焦1．电场强度是描述电场的力的性质的物理量，它的定义式为：E=F/q。应用定义式应注意：（1）适用于任何静电场；（2）E是由电场本身性质及空间位置决定的，与检验电荷q无关，是一种测定电场强度的方法；（3）E是矢量，规定：电场中某点的场强方向跟正电荷在该点所受的电场力方向相同。同时应区别于点电荷的电场强度公式：E=kQ/r2。应用此式要注意：（1）只适用于点电荷产生的电场；（2）式中的Q为场源点电荷的带电量，r为电场中某点到场源电荷间的距离。由此式可知，电场中某点的场强由Q、r决定；（3）具体计算时，Q均用正值，某点的场强方向为：当Q为正时，某点的场强方向是背向Q，当Q为负时，某点的场强方向指向Q。2．电场线是用几何的方法来描述电场性质的很重要的方法，要熟悉几种典型电场线分布特点：孤立正、负点电荷；等量异种电荷；等量同