31电荷及其守恒定律

第1节电荷及其守恒定律1．自然界中有两种电荷，富兰克林把它们命名为正、负电荷，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。2．使物体带电的方式有三种：摩擦起电、感应起电、接触起电，这三种起电方式本质都是电子的转移，起电的过程遵循电荷守恒定律。3．用橡胶棒与毛皮摩擦，毛皮带正电，用丝绸与玻璃棒摩擦，玻璃棒带正电，可以记为：“毛玻璃带正电”。4．电子或质子所带的电荷量是最小的电荷量，这个电荷量叫元电荷，用e表示，e＝1.60×10－19C。5．两个完全相同的带电小球相互接触后总电荷平均分配。如果两个小球带异种电荷，则先中和再均分。一、电荷及三种起电方式1．物质的电结构原子由带的原子核和带的核外电子组成，原子核的正电荷的数量跟核外电子的负电荷的数量，所以整个原子对外界较远位置表现为。金属原子中离原子核较远的电子，往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由活动，这种能自由活动的电子叫做，失去电子的原子便成了带正电的。正电负电相等电中性自由电子离子2．两种电荷及其相互作用规律自然界中只有两种电荷，富兰克林把用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷命名为电荷，把用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷命名为电荷，同种电荷相互，异种电荷相互。排斥吸引正负3．三种起电方式(1)接触起电：指一个的金属导体跟另一个的金属导体后分开，而使前者带上电荷的方式。带电不带电接触(2)摩擦起电：由于相互摩擦的物体间的电子的得失而使原来不带电的物体分别带上电荷。(3)感应起电：把一带电物体导体使导体带电的方式。如图1­1­1所示，将带电体C去靠近相互接触的导体A、B，由于同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，导体A、B上分别带上等量异种电荷，这时先把A、B分开，然后移去C，则A和B两导体上分别带上了等量异种电荷。图1­1­1等量异种靠近二、电荷守恒定律及元电荷1．电荷守恒定律(1)内容：电荷既不会，也不会，它只能从一个物体到另一个物体，或者从物体的一部分到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持，这个结论叫做电荷守恒定律。(2)另一种表述：一个与外界没有电荷的系统，电荷的代数和保持。消灭创生转移不变交换不变转移2．元电荷(1)电荷量：用来表示的多少。其单位是“”，简称“库”，用C表示。电荷库仑(2)元电荷①最小的叫做“元电荷”，用e表示，则e＝1.60×10－19C。②对元电荷的三点理解：a.元电荷没有正、负之分，也不是实物粒子；b.质子及电子所带电荷量的绝对值与元电荷，但不能说它们是元电荷；c.电荷量不能变化，自然界中带电体的电荷量都是元电荷e的倍。电荷量相等连续整数3．比荷：与质量的比。电子的比荷为eme＝1.76×1011C/kg。电荷量1．自主思考——判一判(1)丝绸与任何物体摩擦后都带负电。()(2)两物体摩擦后，一定带等量异种电荷。()(3)将带电体靠近验电器金属球和带电体与验电器金属球接触，验电器箔片都会张开，但二者本质不同。()(4)元电荷实质上是指电子和质子本身。()(5)一个带正电的金属球与一个不带电的金属球接触，带正电的金属球电荷量减少是因为带正电金属球的部分正电荷转移到不带电的金属球中。()××××√2．合作探究——议一议(1)不带电的物体内部是否有电荷？提示：不带电的物体内部有电荷，正负电荷电量相同，故对外不显电性。(2)带有等量异号电荷的金属球接触后会发生电荷的中和，此时电荷被消灭了吗？提示：中和时，系统所带电荷的代数和不变，电荷并没有消失，只是正、负电荷数相等，从而对外显电中性。三种起电方式1．三种起电方式的比较摩擦起电感应起电接触起电产生条件两种物体摩擦导体靠近带电体导体与带电体接触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，且电性与原带电体“近异远同”导体带上与带电体相同电性的电荷原因不同物质的原子核对核外电子的束缚力不同而发生电子得失导体中的自由电子受带正(负)电物体吸引(排斥)而靠近(远离)自由电荷在带电体与导体之间发生转移2．三种起电方式的本质三种起电方式都不是创造了电荷，只是电荷从一个物体转移到了另一个物体，或者从物体的一部分转移到了另一部分，它们的本质都是电荷的转移，电荷总量保持不变。[典例](多选)如图1­1­2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1­1­2A．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[解析]A、B开始都不带电，把C移近导体A时，由于静电感应，A、B中的自由电子向左移动，使得A端积累负电荷，B端积累正电荷，所以两边的金属箔片都张开，A对；若此时先把A、B分开再移走C，因A、B已经绝缘，所带电荷量不会变，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，所以金属箔片都不会张开，C错误；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，D错误。[答案]AB(1)只有导体中的电子才能自由移动，绝缘体中的电子不能自由移动，所以导体能够发生感应起电，而绝缘体不能。(2)凡是遇到接地问题时，该导体与地球可视为一个导体，而且该导体可视为近端，带异种电荷，地球就成为远端，带同种电荷。1．两金属小球所带电荷量分别为＋3Q和－Q，将两小球接触后，它们所带的电荷量一共为()A．＋3QB．＋2QC．＋QD．－Q解析：由电荷守恒定律知，两小球接触后带电荷量的总量为中和后剩余量，即Q总＝＋3Q－Q＝＋2Q，故选项B正确。答案：B2．(多选)用棉布分别与丙烯塑料板和乙烯塑料板摩擦，实验结果如图1­1­3所示，由此对摩擦起电的说法正确的是()图1­1­3A．两个物体摩擦时，表面粗糙的易失去电子B．两个物体摩擦起电时，一定同时带上种类及数量不同的电荷C．两个物体摩擦起电时，带上电荷的种类不同但数量相等D．同一物体与不同种类物体摩擦，该物体的带电荷种类可能不同解析：两物体摩擦时得失电子取决于原子核对电子的束缚力大小，A错；由于摩擦起电的实质是电子的得失，所以两物体带电种类一定不同，数量相等，B错，C对；由题中例子不难看出同一物体与不同种类物体摩擦，带电种类可能不同，D正确。答案：CD3.如图1­1­4所示，用起电机使金属球A带正电，靠近验电器B，则()图1­1­4A．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正电解析：带正电的A球靠近验电器B，据电荷“同性斥、异性吸”的特点知，验电器金属杆下端箔片中的电子会被A球上的正电荷吸引到验电器上端，则金属杆下端的箔片就会因带正电荷而相斥，使箔片张开，故选D。答案：D电荷守恒定律的理解及应用1．“中性”与“中和”的理解(1)中性：物体内有电荷存在，但正、负电荷的绝对值相等，对外不显电性。(2)中和：两个带有等量异种电荷的带电体相遇达到电中性的过程。2．守恒的广泛性电荷守恒定律同能量守恒定律一样，是自然界中最基本的规律，任何电现象都不违背电荷守恒定律，也涵盖了近代物理实验发现的微观粒子在变化中遵守的规律。如：由一个高能光子可以产生一个正电子和一个负电子，一对正、负电子可同时湮灭，转化为光子。在这种情况下，带电粒子总是成对产生或湮灭，电荷的代数和不变。3．两金属导体接触后电荷量的分配规律(1)当两个导体材料、形状不同时，接触后再分开，只能使两者均带电，但无法确定电荷量的多少。(2)若使两个完全相同的金属球带电荷量大小分别为q1、q2，则有1．(多选)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可能是()A．带有等量异种电荷B．带有不等量异种电荷C．带有等量同种电荷D．一个带电，另一个不带电解析：两个完全相同的金属球若带有等量的异种电荷，接触后将均不带电，若带同种电荷，或一个带电，另一个不带电，接触后均带同种电荷，两球间存在相互排斥力，故B、C、D均正确，A错误。答案：BCD2．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＋23e，d夸克带电荷量为－13e，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x×23e＋y×－13e＝1，解得x＝2、y＝1；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×23e＋n×－13e＝0，解得m＝1、n＝2，故选B。答案：B3．有两个完全相同的带电绝缘金属小球A、B，分别带有电量QA＝6.4×10－9C，QB＝－3.2×10－9C，让两绝缘金属小球接触，接触后A、B所带的电荷量各是多少？在接触过程中，电子如何转移并转移了多少？解析：当两小球接触时，带电量少的负电荷先被中和，剩余的正电荷再重新分配。由于两小球相同，剩余正电荷必均分，即接触后两小球带电量QA′＝QB′＝QA＋QB2＝6.4×10－9－3.2×10－92C＝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，共转移的电子电量为ΔQ＝－QB＋QB′＝3.2×10－9C＋1.6×10－9C＝4.8×10－9C。故转移的电子数n＝ΔQe＝4.8×10－9C1.6×10－19C＝3.0×1010(个)。答案：均为1.6×10－9C电子由B球转移到了A球，共转移了3.0×1010个