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1.1电荷及其守恒定律学习目标学习重点考查热度了解电荷和静电现象的产生过程★★★掌握电荷守恒定律并能解答相关的问题★★★★★基础梳理一、有关电荷的几个基本概念1．电荷及相互作用规律：自然界只存在两种电荷即正电荷与负电荷，原子核内的每个质子带一个单位正电荷(中子不带电)，核外每个电子带一个单位负电荷．2．异种电荷相互吸引、同种电荷相互排斥．3．自由电子：金属中离原子核最远的电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由活动，这种电子叫作自由电子．4．电荷量(1)定义：电荷的多少叫作电荷量，常用符号Q或q表示．(2)单位：在国际单位制中，电荷量的单位是库仑，简称为库，用符号C表示．通常正电荷量用正数表示，负电荷量用负数表示．5．元电荷科学实验发现的最小电荷量就是电子所带的电荷量，质子所带的电荷量与它相同，符号相反．人们把这个最小的电荷量叫作元电荷，用e表示．我们在计算中可取e＝1.60×10－19C.实验还指出，所有带电体的电荷量或者等于e，或者是e的整数倍．也就是说，电荷量是不能连续变化的物理量．(1)元电荷e又称“基本电荷量”，是自然界存在的最小电荷量．最早是由美国科学家密立根用实验测得的．元电荷作为电荷量的单位，是物理学的基本常量之一．e＝1.60×10－19C.(2)元电荷只是一个电荷量的单位，不是某种电荷，也没有正负，更不是物质．不能说电子或质子是元电荷，因为电子和质子是实实在在的粒子(虽然其所带电荷量为一个元电荷)．(3)1964年提出了夸克模型，夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出元电荷e不再是电荷量的最小单元，即存在分数电荷量．科学家还未捕捉到自由的夸克，夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”，能否解放被“禁闭”的夸克，是物理学发展面临的一个重大课题．因此若没有特别说明，我们认为带电体的最小电荷量为e.6．比荷带电体所带电荷量q与其质量m之比叫作比荷．比荷一般是针对电子等微观粒子而言的．例如，电子的电荷量e与电子的质量me之比，叫作电子的比荷，为eme＝1.60×10－199.1×10－31C/kg＝1.76×1011C/kg.二、三种起电方式：摩擦起电、感应起电、接触起电1．摩擦起电：任意两种不同材料的物体相互摩擦都会起电，包括导体，但导体摩擦起电同时电荷又会中和，所以摩擦起电时一般用绝缘体如橡胶、玻璃等．2．接触起电：用一个带电的物体接触另一个导体时会有一部分电荷转移到导体上面，使导体带电，这种方式叫接触起电．接触起电时至少一方是导体．3．感应起电：一个带电的物体靠近(不接触)另一个不带电的绝缘导体时，导体内的自由电荷受到力的作用导致自由电荷分布发生变化，出现表面局部带电的现象叫静电感应，利用静电感应的方法使物体带电的过程叫感应起电．三、对静电感应以及感应起电的理解1．导体和绝缘体(1)导体和绝缘体：容易导电的物体叫作导体(例如：金属，人体，大地，石墨，酸、碱、盐水溶液)；不容易导电的物体叫作绝缘体(例如：橡胶、玻璃、塑料、陶瓷、油、纯水、干燥的纸、干燥的木棒、干燥的空气)．(2)导体导电的原因：导体中有能够自由移动的电荷，金属导电是由于金属中存在大量的自由电子．2．静电感应：当一个带电体靠近导体时，由于电荷间的相互吸引或排斥，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号电荷，远离带电体的一端带同号电荷，这种现象叫静电感应．如图所示．3．感应起电：利用静电感应使金属导体带电的过程叫作感应起电．4．感应起电的操作步骤第一种操作(1)靠近：使带电体C(假设带正电)靠近相互接触的两导体A、B，A为离C较近的一端(以下称近端)，如图甲所示．(2)分开：保持C不动，用绝缘工具将A、B分开，如图乙所示．(3)移走：移走C，则A带负电，B带正电，如图丙所示．第二种操作(感应起电也可按下面步骤进行，如图所示)(1)将一个带电体A靠近导体球B；(2)用手接触一下导体球B，再将手拿开(或将导体球B接地，再与地断开)；(3)移去带电体A，则这时导体球B带上了和带电体A异号的电荷．5．感应起电的本质：导体中的自由电荷在带电体的作用下，在导体内部发生转移．四、电荷守恒定律1．两种表述(1)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．这个结论叫作电荷守恒定律．(2)一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变．2．说明(1)这个由实验总结出来的定律是自然界重要的基本规律之一，它既适用于静止电荷，也适用于运动电荷；不仅在宏观领域中成立，在微观领域中也同样成立．(2)电荷守恒定律和能量守恒定律一样，都是自然界中最基本的守恒定律，任何带电现象都不能违背电荷守恒定律．(3)无论哪一种起电过程都没有创生电荷，也没有消灭电荷，其本质都是电荷发生了转移，也就是说起电过程是物体所带电荷的重新分配过程．(4)一对正、负电子的湮灭与电荷守恒定律不矛盾．近代物理实验发现，一个高能光子可以产生一个正电子和一个负电子，一对正、负电子可以同时湮灭，转化为光子．因为这种情况下带电粒子总是成对湮灭或产生的，两个粒子带电数量相等、正负相反，而光子是中性的，本身不带电，所以电荷的代数和不变．即一对正、负电子的产生和湮灭与电荷守恒定律并不矛盾．规律方法考点鸟瞰高考热度考点一：电荷间的引力和斥力★★★考点二：起电的本质★★★考点三：电荷守恒定律★★★★考点四：如何区分近端与远端★★★考点五：静电感应中导体接地问题★★★考点一电荷间的引力和斥力一个带电体A靠近一个不带电的导体B时，导体B近端会出现异种电荷，远端出现同种电荷；同时B也会使A所带电荷向靠近B物体一侧聚集，力的作用是相互的．(多选)一个带正电的验电器如图所示，当一个金属球A靠近验电器上的金属球B时，验电器中金属箔的张角减小，则()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【解析】验电器金属箔的张角减小说明金属箔带电量减少，而验电器并未与其他物体接触，所以验电器带电量没有变化，所以可以推出金属箔上减少的电荷转移到了验电器的金属球上面．【答案】AC概念辨析带电状态和带电量物体内的质子数与电子数相同且分布均匀时，正负电荷作用抵消，物体不显电性．当采用某些方式使得物体(或物体一部分如感应起电)质子数和电子数不同时，物体(或物体一部分)就显电性，我们叫作物体带电或物体局部带电．物体内正电荷总量与负电荷总量抵消剩余的净剩电荷叫物体带电量，常用Q或q表示，单位是库仑，符号是C.我们所说物体的带电量、电荷量都是指物体净剩电荷总量．考点二起电的本质能够自由移动的电荷发生定向的移动．能移动的负电荷是自由电子或负离子，能移动的正电荷一般只有正离子，原子核带正电但不能自由移动．三种起电方式比较分析起电方式摩擦起电感应起电接触起电产生及条件不同的物体(一般是绝缘体)间相互摩擦时用带电物体靠近(不接触)不带电的绝缘导体时带电导体与不带电导体接触时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近端带异种电荷，远端带同种电荷导体带上与带电体相同的电荷原因不同物质原子核对核外层电子的束缚能力不同导致电子得失导体的自由电子受带正(负)电物体的吸引(排斥)自由电子之间相互排斥而尽量远离本质自由电荷发生定向的转移把一个带正电的金属球A跟同样的不带电的金属球B相碰，两球都带等量的正电荷，这从本质上看是因为()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【解析】金属中能够自由移动的只有自由电子，带负电；所以A与B相碰使B带正电的过程实质上是B内的一部分自由电子转移到A球上面．【答案】B概念辨析带电与导电带电是指导体内正、负电荷总量不相等，带电是一个状态，带电的物体可以是绝缘体，也可以是导体．导电是指物体内有可以自由移动的电荷，如金属、电解液等．导电的物体一般情况下都是电中性的，即内部正负电荷总量相等，只不过存在自由电荷的定向移动．金属内的正电荷(质子)存在于原子核中不能自由移动，所以金属内能自由移动的电荷只有自由电子(负电荷)，电解液内可以自由移动的是正、负离子．考点三电荷守恒定律一个与外界没有电荷交换的系统，总电荷量不变．一个带电导体与另一个完全相同不带电的导体接触，电荷量会被两导体平分．两个完全相同的带电导体，原带电量为Q1、Q2，则接触后两导体各自带电量为Q1＋Q22(Q1、Q2包含正、负号)．如图所示，左边是一个原先不带电的导体，右边C是后来靠近导体的带正电金属球，若用绝缘工具沿图示某条虚线将导体切开，分导体为A、B两部分，这两部分所带电荷量的数值分别为QA、QB，则下列结论正确的是()A．沿虚线d切开，A带负电，B带正电，且QAQBB．只有沿虚线b切开，才有A带正电，B带负电，且QA＝QBC．沿虚线a切开，A带正电，B带负电，且QAQBD．沿任意一条虚线切开，都有A带正电，B带负电，而QA、QB的值与所切的位置有关【解析】在C正电荷的静电感应作用下，A带正电、B带负电，且根据电荷守恒A、B带电量代数和总为零．而AB原来整体不带电，所以A、B各自带电量总是大小相等，但电性相反．与切开的位置无关．但电荷在A、B表面分布的密度不同，越靠近A端，正电荷越密集，越靠近B端负电荷越密集，从A到B端，物体带电是从带正电向带负电逐渐过渡的．所以切开的位置不同，A的带电量QA(或B的带电量QB，因为QA＝QB)是不同的．【答案】D考点四如何区分近端与远端(多选)如图所示，将带负电导体棒移近两个不带电的导体球，两个导体球开始时互相接触且对地绝缘，下述几种方法中能使两球都带正电的是()A．先把两球分开，再移走导体棒B．用手摸一下甲球，再移走导体棒C．先将棒接触一下其中的一个球，再把两球分开D．用手摸一下乙球，再移走导体棒【解析】带电棒移近导体球但不与导体球接触，从而使导体球上的电荷重新分布，甲球左侧感应出正电荷，乙球右侧感应出负电荷，此时分开甲、乙球，则甲、乙球上分别带上等量的异种电荷，故A项不对；如果摸一下甲球，则甲、乙两球与大地成为一个整体，甲、乙两球都是近端，都带正电故B项正确．如果先将棒接触一下其中的一球，则甲、乙两球会同时带上和棒同性的电荷，故C项不对．先触碰乙球效果与B项相同，故D项正确．【答案】BD考点五静电感应中导体接地问题静电感应中导体接地问题的分析方法静电感应现象遵循基本电学规律，如同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引以及电荷守恒定律．其中关于静电感应中的导体接地问题，具体有以下几种情况．(1)如图甲所示，当带正电的带电体C靠近不带电的导体A、B时，如果导体不接地，由于静电感应，靠近C的A带负电，远离C的B带等量的正电，即“近异远同”．(2)如图乙所示，当B接地时，在导线的连接下，导体A、B和大地组成了一个大导体，这时近端为A，而远端为大地．由于静电感应，A带负电，而B原来感应出的正电荷被从大地流来的负电荷(即电子，这里要注意，并非正电荷流入了大地)中和了，所以B不带电．(3)如图所示，如果是A接地，导体A、B和大地还是组成一个大导体．新的导体仍然是A离带电体C最近，大地离C最远(这里很容易错误地认为近端为B)．由于静电感应，A仍然带负电，B不带电．(4)如果(2)(3)两种情况不是接地，而是改为用手触摸A或B，则结果相同．(2019·福州校级月考)如图所示，在绝缘支架上的导体A和导体B按图中方式接触放置，原先A、B都不带电，开关S1、S2均断开．现在将一个带正电的小球C放置在A左侧，以下判断正确的是()A．小球距离A较近，所以A左端电荷量大于B右端电荷量B．只闭合S1，则A左端不带电，B右端带负电C．只闭合S2，则B右端不带电，A左端带负电D．只闭合S2，接着移走带电小球，最后将A、B分开，A带负电【解析】根据静电感应的特点，当S1、S2断开时，A、B两端将感应出等量异种电荷，A项错误；不管闭合S1，还是S2，A的左端都是近端，地球为远端，A左端将带负电，B右端不带电，B项错误，C项正