1、 電 荷 及 其 守 恒 定 律人教版 選修 3-1-1靜電場20082009學(xué)年度（上）“頓牟掇芥，磁石引針?！蓖醭湔摵?泰 勒 斯 Thales（ 前 624年 前 546）公元前600年左右發(fā)現(xiàn)摩擦過的琥珀吸引輕小物體的現(xiàn)象 這是一個我們認(rèn)為隨處可見的現(xiàn)象，但從人類偶爾注意到它，到慎重地記錄下來，然后到有意識地尋找并歸納同類現(xiàn)象，再到試圖去解釋，去合理有效地利用 經(jīng)歷了兩千多年。electricity 的 來 歷 16世 紀(jì) ， 英 王御 醫(yī) 吉 爾 伯 特 根 據(jù)琥 珀 的 希 臘 文 創(chuàng) 造了 英 文 中 的 “ 電 ”這 個 單 詞 。 一 、 摩 擦 起 電 現(xiàn) 象演示實(shí)驗(yàn)1：用塑料梳子，在頭發(fā)上摩擦幾下，離開頭發(fā)，再逐漸靠近頭發(fā)，發(fā)現(xiàn)頭發(fā)被吸引起來。（生活經(jīng)驗(yàn)）演示實(shí)驗(yàn)2：用玻璃棒摩擦絲綢，然后把玻璃棒移到花茶末上，發(fā)現(xiàn)花茶末被吸引到玻璃棒上。橡膠棒摩擦毛皮同理。思考：1、是不是兩個物體摩擦后都可以吸引其它物體？嘗試用不同材料的物體相互摩擦，看是否可以吸引輕小物體。3、創(chuàng)造怎樣的實(shí)驗(yàn)條件，可以使摩擦起電效果更明顯？2、可否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)自己的猜測？相互摩擦的物體干燥、被吸引物要很輕。 一 、 摩 擦 起 電 現(xiàn) 象演示實(shí)驗(yàn)3：超市的購物袋有時很不容易撐開，用包裝泡沫摩擦塑料袋幾下，粘在一起的塑料袋自己就分開了。演示實(shí)驗(yàn)4：用被絲綢摩擦過的玻璃接觸兩個靠近懸掛的泡沫小球，發(fā)現(xiàn)兩個小球相互排斥。若分別用摩擦過的玻璃棒和橡膠棒接觸這兩個小球，發(fā)現(xiàn)小球相互吸引。 玻玻玻橡思考：1、小球?yàn)槭裁磿嗷ヅ懦饣蛭繋щ娏?？怎么帶電的?、玻璃棒和橡膠棒帶的電有區(qū)別嗎？ 二 、 電 荷 （ elecrtric） 及 其 種 類 許多物質(zhì)，如琥珀、玻璃棒、橡膠棒 等，經(jīng)過毛皮或絲綢摩擦后，能吸引輕小物體，我們就說這些物質(zhì)帶了電荷。早期人們正是通過這種力的效應(yīng)定義了“電荷”這個概念。 發(fā)現(xiàn)了玻璃棒和橡膠棒所帶電荷的區(qū)別后，美國物理學(xué)家富蘭克林人為地定義了“正電荷”（positive charge）和“負(fù)電荷”（negative charge）的概念，一直沿用至今。 自然界中只存在這兩種電荷。正 電 荷 ： 被 絲 綢 摩 擦 過 的 玻 璃 棒 所 帶 的 電 荷 ， 用 “ +” 表 示 。負(fù) 電 荷 ： 被 毛 皮 摩 擦 過 的 橡 膠 棒 所 帶 的 電 荷 ， 用 “ -” 表 示 。實(shí) 驗(yàn) 表 明 ： 同 種 電 荷 相 互 排 斥 ， 異 種 電 荷 相 互 吸 引 。 思考：究竟什么是電荷？什么情況下我們說物體“帶電”了？ 三 、 從 物 質(zhì) 微 觀 結(jié) 構(gòu) 的 角 度 分 析 “ 帶 電 ” 原 因水由大量水分子構(gòu)成有的物質(zhì)直接由原子構(gòu)成原子由原子核和核外電子構(gòu)成核 外 電 子 帶 負(fù) 電 荷質(zhì) 子 和 中 子 構(gòu) 成 原 子 核質(zhì) 子 帶 正 電 荷 中 子 不 帶 電 荷思考：原本就帶電的物體為什么不能吸引輕小物體呢？而必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)哪Σ敛判心?？?質(zhì) 本 身 就 是 由 大 量 帶 電 的 微 粒 構(gòu) 成 的 ！ 三 、 從 物 質(zhì) 微 觀 結(jié) 構(gòu) 的 角 度 看 “ 電 現(xiàn) 象 ” 原 子 的 質(zhì) 子 數(shù) 與 核 外 電 子 數(shù) 是 相 等 的 。 例 如 碳 原 子 ， 核 外電 子 有 6個 ， 質(zhì) 子 也 是 6個 。 這 樣 ， 它 對 外 不 顯 電 性 。 原 子 核 內(nèi) 部 的 質(zhì) 子 和 中 子 被 核 力 緊 密 地 束 縛 在 一 起 。 核 力來 源 于 強(qiáng) 相 互 作 用 ， 所 以 原 子 核 的 結(jié) 構(gòu) 一 般 是 很 穩(wěn) 定 的 。 核 外 的 電 子 靠 質(zhì) 子 的 吸 引 力 維 系 在 原 子 核 附 近 。 通 常 離 原子 核 較 遠(yuǎn) 的 電 子 收 到 的 束 縛 較 小 ， 容 易 受 到 外 界 的 作 用 而 脫 離原 子 。 當(dāng) 兩 個 物 體 相 互 摩 擦 時 ， 一 些 束 縛 得 不 緊 的 電 子 往 往 從 一 個物 體 轉(zhuǎn) 移 到 另 一 個 物 體 ， 于 是 原 來 電 中 性 的 物 體 由 于 得 到 電 子而 帶 負(fù) 電 ， 失 去 電 子 的 物 體 則 帶 正 電 。 這 就 是 “ 摩 擦 起 電 ” （ electrification by friction） 的 原 因 。 三 、 從 物 質(zhì) 微 觀 結(jié) 構(gòu) 的 角 度 看 “ 電 現(xiàn) 象 ”思考：1、用絲綢摩擦玻璃棒時，電子是怎樣轉(zhuǎn)移的？哪個失去了電子？哪個又得到了電子？用毛皮摩擦橡膠棒呢？2、電荷就是原子內(nèi)部的質(zhì)子和電子嗎？正電荷就是質(zhì)子、負(fù)電荷就是電子？ 絲 綢 摩 擦 玻 璃 棒 ， 電 子 由 玻 璃 棒 轉(zhuǎn) 移 到 絲 綢 上 。 玻 璃 棒 失去 電 子 ， 帶 正 電 ， 絲 綢 得 到 電 子 ， 帶 負(fù) 電 。 毛 皮 摩 擦 橡 膠 棒 ， 電 子 由 毛 皮 轉(zhuǎn) 移 到 橡 膠 棒 上 。 毛 皮 失 去電 子 ， 帶 正 電 ， 玻 璃 棒 得 到 電 子 ， 帶 負(fù) 電 。 電 子 和 質(zhì) 子 是 實(shí) 際 的 微 觀 粒 子 ， 電 荷 是 這 些 基 本 粒 子 的 一 種 屬 性 。 離 開 了 這 些 基 本 粒 子 ， 電 荷 根 本 就 不 存 在 。 三 、 從 物 質(zhì) 微 觀 結(jié) 構(gòu) 的 角 度 看 “ 電 現(xiàn) 象 ”鋁和鐵的原子結(jié)構(gòu)示意圖：鋁鐵 不 同 物 質(zhì) 的 微 觀 結(jié) 構(gòu) 不 同 ， 原 子 中 電 子 的 多 少 和 運(yùn) 動 情 況 也不 相 同 。 不 僅 如 此 ， 當(dāng) 大 量 原 子 或 分 子 組 成 大 塊 物 體 時 ， 由 于 原子 或 分 子 間 的 相 互 作 用 ， 原 子 中 電 子 的 運(yùn) 動 狀 況 也 會 有 所 變 化 。 例 如 ， 金 屬 中 離 原 子 核 最 遠(yuǎn) 的 電 子 往 往 會 脫 離 原 子 核 的 束 縛而 在 金 屬 中 自 由 活 動 ， 這 種 電 子 叫 做 自 由 電 子 （ free electron） 。失 去 這 種 電 子 的 原 子 便 成 為 帶 正 電 的 離 子 （ ion） 。 這 些 離 子 在 金 屬 內(nèi) 部 排 列 起 來 ， 每 個 正 離 子 都 在 自 己 的 平 衡位 置 上 振 動 而 不 移 動 ， 只 有 自 由 電 子 穿 梭 其 中 。 這 就 使 金 屬 成 為 導(dǎo) 體 。 四 、 利 用 電 荷 “ 同 性 相 斥 ” 判 斷 物 體 是 否 帶 電演示實(shí)驗(yàn)5：范式起電機(jī)的金屬球帶電后，輕輕地把雙手放在帶電的球上，突然，你的頭發(fā)全部飛揚(yáng)起來。簡直就是“怒發(fā)沖冠”。演示實(shí)驗(yàn)6：用毛皮摩擦橡膠棒后，把橡膠棒和驗(yàn)電羽上的金屬球接觸， 發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電羽上的紅色線都張開了。 四 、 利 用 電 荷 “ 同 性 相 斥 ” 判 斷 物 體 是 否 帶 電驗(yàn)電器：玻璃瓶內(nèi)有兩片金屬箔，用金屬絲掛在一條導(dǎo)體棒的下端，棒的上端通過瓶塞從瓶口伸出。 靜電計(jì)：把金屬箔換成指針，并用金屬做外殼。 五 、 感 應(yīng) 起 電 （ electrostatic induction）演示實(shí)驗(yàn)7：取一對用絕緣柱支撐的導(dǎo)體A和B，使它們彼此接觸。起初它們不帶電，帖在下部的金屬箔是閉合的。（1）把帶正電荷的物體C移近導(dǎo)體A，金屬箔有什么變化？（2）這時把A和B分開，然后移去C，金屬箔又有什么變化？（3）再讓A和B接觸，又會看到什么現(xiàn)象？利用金屬結(jié)構(gòu)的模型，解釋看到的現(xiàn)象。現(xiàn)象：（1）張開（2）仍然張開 （3）閉合 五 、 感 應(yīng) 起 電 （ electrostatic induction） 當(dāng) 一 個 帶 電 體 靠 近 導(dǎo) 體 時 ， 由 于 電 荷 間 相 互 吸 引 或 排 斥 ，導(dǎo) 體 中 的 自 由 電 荷 便 會 趨 向 或 遠(yuǎn) 離 帶 電 體 ， 使 導(dǎo) 體 靠 近 帶 電 體的 一 端 帶 異 號 電 荷 ， 遠(yuǎn) 離 帶 電 體 的 一 端 帶 同 號 電 荷 。 這 種 現(xiàn) 象叫 做 靜 電 感 應(yīng) 。 利 用 靜 電 感 應(yīng) 使 金 屬 導(dǎo) 體 帶 電 的 過 程 叫 做 感 應(yīng)起 電 （ electrification by induction） 。 三 種 帶 電 方 式 ： 摩 擦 起 電感 應(yīng) 起 電接 觸 起 電演示實(shí)驗(yàn)8：當(dāng)帶電體與驗(yàn)電器的上端接觸時，驗(yàn)電器的金屬箔 會張開。若不接觸，只是靠近，金屬箔是否張開？ 六 、 電 荷 守 恒 定 律 電 荷 即 不 能 創(chuàng) 造 ， 也 不 能 消 失 ， 只 能 從 一 個 物 體 轉(zhuǎn) 移 到 另一 個 物 體 ， 或 者 從 物 體 的 一 部 分 轉(zhuǎn) 移 到 另 一 部 分 ； 在 轉(zhuǎn) 移 過 程中 ， 電 荷 的 總 量 保 持 不 變 。 這 個 結(jié) 論 叫 做 電 荷 守 恒 定 律 （ law of conservation of electric charge） 一 個 與 外 界 沒 有 電 荷 交 換 的 系 統(tǒng) ， 電 荷 的 代 數(shù) 和 總 是 保 持不 變 的 。 七 、 元 電 荷 迄 今 為 止 ， 自 然 界 中 最 小 電 荷 量 物質(zhì)由分子或原子構(gòu)成，原子又由原子核和核外電子構(gòu)成，原子核里有帶電的質(zhì)子和不帶電的中子。我們可以這樣認(rèn)為，物質(zhì)由大量的質(zhì)子、中子、電子組成。只有物質(zhì)的正電荷和負(fù)電荷一樣多，物質(zhì)對外才不顯電性！ 對于任何原子而言，核內(nèi)有幾個質(zhì)子，核外就有幾個電子。這說明盡管質(zhì)子和電子所帶電荷不同種類，但多少是相等的。 電 荷 的 多 少 叫 電 荷 量 （ electric quantity） ， 國 際 單 位 制度 中 ， 電 荷 量 的 單 位 是 庫 倫 （ coulomb） ， 簡 稱 庫 ， 用 C表 示 。正 電 荷 的 電 荷 量 為 正 值 ， 負(fù) 電 荷 的 電 荷 量 為 負(fù) 值 。 思考：你知道帶電物體最少要帶多少庫倫的電荷量嗎？ 七 、 元 電 荷 電 荷 量 的 最 小 單 位 迄 今 為 止 ， 科 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 發(fā) 現(xiàn) 的 最 小 電 荷 量 就 是 電 子 所 帶 的電 荷 量 。 質(zhì) 子 、 正 電 子 所 帶 的 電 荷 量 與 之 相 等 ， 但 符 號 相 反 。任 何 帶 電 物 體 所 帶 電 荷 量 是 最 小 電 荷 量 的 整 數(shù) 倍 。 我 們 稱 這個 最 小 電 荷 量 為 元 電 荷 （ elementary charge） ， 用 e表 示 。密 立 根 Millikan （ 1868 1953） 密 立 根 利 用 油 滴 實(shí) 驗(yàn) 測 量 出 電 子 的 電荷 量 ， 獲 得 1932年 的 諾 貝 爾 物 理 學(xué) 獎 。 在計(jì) 算 中 ， 我 們 可 以 取 C1060.1 19e 電 子 的 電 荷 量 e與 電 子 的 質(zhì) 量 me之 比 ，叫 做 電 子 的 比 荷 （ specific charge） 。