第一章靜電場 教材分析本章是高中階段電學內容的開始 在整個高中物理知識體系中具有承上 力學 啟下 電磁學 的重要位置 本章的核心內容是電場的概念及描述電場特性的物理量 突出體現了電場的兩個基本性質 一是電場的力的性質 從電荷在電場中受力的角度研究 二是電場的能的性質 從電場力做功使能量變化的角度研究 全章綜合解說 教材從電荷在電場中受力入手 引入電場強度的概念 明確它是表示電場強弱的物理量 然后 通過將靜電力做功與路徑無關和重力做功與路徑無關類比 得出電荷在電場中具有由位置決定的能量 電勢能 在此基礎上 同引入電場強度的方法相同 比值定義法 引入電場的另一種描述 即電勢的概念 這樣 通過幾個相關物理概念的討論 完成對靜電場性質的初步認識 本章知識在結構上可以分為三個單元 1 3節(jié)為第一單元 主要學習電學中兩個最基本的定律 電荷守恒定律和庫侖定律 學習描述電場力的性質的物理量 電場強度 4 6節(jié)為第二單元 學習描述電場能的性質的物理量 電勢 電勢差 電勢差與電場強度的關系 7 8節(jié)為第三單元 主要學習電場知識的應用 電容器 電容 帶電粒子在電場中的加速運動和偏轉所做的類平拋運動 還要了解靜電現象在生產和生活中的應用 重點難點本章重點 電荷守恒定律 庫侖定律兩個基本定律及電場強度 電勢和電勢能 電容等基本概念的掌握 本章難點 電場的概念及其特性的描述 帶電粒子在電場中的綜合運動分析及應用 本章內容總體來說比較抽象 概念 規(guī)律 方法多 學習時要注意以下幾點 1 要重視對基本概念 基本規(guī)律的理解理解概念是掌握概念的前提 對比較抽象的概念 要注意理解它們的內涵和外延 要理解這些概念的相互關系 并且要適時地與力學中學生熟悉的概念比較 通過做適量的練習題 可以很好地理解 掌握這些抽象概念 這是學好本章知識的基礎和關鍵 即便是立意比較新穎 能力要求也比較高的試題也是以這些基本概念 基本規(guī)律為基礎的 學習方法指導 2 要重視科學研究方法的學習本章用到的科學研究方法比較多 研究方法主要有理想化模型法 比值定義法 類比法 合成分解法等 要在學習和做練習題時注意體會這些方法的具體運用場合 本章內容是力學知識的遷移 鞏固和拓展 力學中的基本規(guī)律和方法同樣適用于在電場中運動的粒子 如帶電粒子在電場中的運動 可以與力學中的勻變速直線運動 平拋運動類比 加深對這些運動規(guī)律的理解 3 理清本章分析問題的兩個角度 1 力的角度 側重于利用牛頓運動定律分析處理問題 2 能的角度 側重于利用功能關系 能量守恒分析處理問題 第1節(jié)電荷及其守恒定律 1 知道自然界中存在兩種電荷且電荷間存在相互作用 2 了解使物體帶電的三種方法 能從物質微觀結構的角度認識物體帶電的本質 3 掌握電荷守恒定律 會運用該定律解決實際問題 要點一電荷及原子結構1 兩種電荷 1 兩種電荷 自然界中只存在兩種電荷 正電荷 用絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷稱為正電荷 負電荷 用毛皮摩擦過的橡膠棒所帶的電荷稱為負電荷 2 相互作用 同種電荷相互排斥 異種電荷相互吸引 2 物質的電結構原子由帶正電的原子核和帶負電的電子組成 電子繞原子核高速旋轉 原子核正電荷的數量跟核外電子負電荷的數量相等 所以整個原子對外界較遠位置表現為電中性 金屬原子中離原子核較遠的電子 往往會脫離原子核的束縛而在金屬中自由活動 這種能自由活動的電子叫做自由電子 失去電子的原子便成了帶正電的離子 3 物體帶電物體有了吸引輕小物體的性質 我們就說它帶了電 或有了電荷 當物體內的正電荷數量多于負電荷數量時 物體帶正電 反之 帶負電 正電荷數量與負電荷數量相等時 物體不帶電 有的同學誤認為相互吸引的兩物體一定帶異種電荷 辨析 除了帶異種電荷的物體相互吸引之外 帶電體有吸引輕小物體的性質 這里的 輕小物體 可以不帶電 要點二起電的三種方式1 摩擦起電 1 摩擦起電的過程由于兩個物體互相摩擦時 一些束縛得不緊的電子往往從一個物體轉移到另一個物體 于是原來呈電中性的物體由于得到電子而帶負電 失去電子的物體則帶正電 如玻璃棒與絲綢摩擦時 玻璃棒容易失去電子而帶正電 硬橡膠棒與毛皮摩擦時 硬橡膠棒容易得到電子而帶負電 2 摩擦起電的本質摩擦起電時 電荷并沒有憑空產生 其本質是發(fā)生了電子的轉移 所以兩個相互摩擦的物體一定是同時帶上性質不同的電荷 且電荷量相等 2 感應起電 1 靜電感應 當一個帶電體靠近導體時 由于電荷間相互吸引或排斥 導體中的自由電荷便會趨向或遠離帶電體 使導體靠近帶電體的一端帶異號電荷 遠離帶電體的一端帶同號電荷的現象 2 感應起電 利用靜電感應使導體帶電的過程 若先移走C 再分開A B 則A B原來在C的作用下感應出的異種電荷會立即中和 A B分開后不帶電 感應起電的判斷方法 1 當一個帶電體靠近導體時 產生靜電感應現象 導體靠近帶電體的一端帶異種電荷 遠離帶電體的一端帶同種電荷 2 凡是遇到接地問題時 該導體與地球可視為一個導體 而且該導體可視為近端物體 帶異種電荷 地球就成為遠端導體 帶同種電荷 3 接觸起電 1 定義 一個物體帶電時 電荷之間會相互排斥 如果接觸另一個導體 電荷會轉移到這個導體上 使這個導體也帶電 這種帶電方式稱為接觸起電 2 本質 接觸起電的本質是電荷的轉移 接觸起電過程中電子轉移的規(guī)律 1 帶正電荷的物體與帶負電荷的物體接觸 電子由帶負電荷的物體轉移到帶正電荷的物體上 2 帶正電荷的物體與不帶電的中性物體接觸 電子由中性物體轉移到帶正電荷的物體上 3 帶負電荷的物體與不帶電的中性物體接觸 電子由帶負電荷的物體轉移到中性物體上 5 三種起電方式的區(qū)別三種起電方式的本質都是電荷的轉移 它們的主要區(qū)別是 1 接觸起電是用一個不帶電的物體去接觸另一個帶電的物體 使電荷從帶電物體轉移一部分到不帶電的物體上 帶電總量不變 2 摩擦起電是兩個不同的物體相互摩擦 其中一個物體失去電子而帶正電 另一個物體獲得電子而帶負電 帶電總量為零 代數和為零 3 感應起電是將一個導體接近 但不接觸 另一個帶電體 使導體靠近帶電體的一端帶上與帶電體相異的電荷 而另一端帶上與帶電體相同的電荷 是導體中的自由電荷在帶電體電荷的作用下發(fā)生定向移動 使電荷重新分布 驗證物體是否帶電的兩種方法 1 將物體靠近輕小物體 例如紙片 頭發(fā) 若能吸引輕小物體則帶電 否則不帶電 2 將待檢驗物體靠近或接觸驗電器的金屬球 若金屬箔片張開則帶電 否則不帶電 要點三電荷守恒定律1 內容電荷既不會創(chuàng)生 也不會消滅 它只能從一個物體轉移到另一個物體 或者從物體的一部分轉移到另一部分 在轉移過程中 電荷的總量保持不變 這個結論叫做電荷守恒定律 2 電荷守恒定律的另一種表述一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng) 電荷的代數和保持不變 3 對電荷守恒定律的理解 1 電荷守恒定律和能量守恒定律一樣 也是自然界中最基本的守恒定律 2 兩種典型的摩擦起電現象 一是用絲綢摩擦玻璃棒 玻璃棒帶正電 二是用毛皮摩擦橡膠棒 橡膠棒帶負電 玻璃棒和橡膠棒上帶的電都不是憑空產生的 而是通過摩擦使物體之間發(fā)生了電子得失的現象 符合電荷守恒定律 可以推斷 與玻璃棒摩擦過的絲綢要帶負電 與橡膠棒摩擦過的毛皮要帶正電 3 帶等量異種電荷的兩金屬球相接觸 發(fā)生電荷中和 兩球都不再帶電 這個過程中兩球所帶電荷的總量并沒有變 為零 電荷也是守恒的 4 電荷守恒定律的廣泛性 任何電現象都不違背電荷守恒定律 涵蓋了包括近代物理實驗發(fā)現的微觀粒子在變化中遵守的規(guī)律 如 由一個高能光子可以產生一個正電子和一個負電子 一對正 負電子可同時湮沒 轉化為光子 在這種情況下 帶電粒子總是成對產生或湮沒 電荷的代數和不變 有的同學誤認為 中性 中和 的意義相同 辨析 電中性的物體是有正 負電荷存在的 只是正 負電荷量的代數和為零 對外不顯電性 電荷的中和是指等量異種電荷相互抵消而不帶電的過程 使得凈電荷減少或為零 但正 負電荷本身依然存在 并不是正 負電荷的消失 物體帶的電荷量是不能連續(xù)變化的物理量 只能是元電荷的整數倍 有的同學誤認為元電荷就是帶電荷量足夠小的帶電體 辨析 元電荷是一個抽象的概念 不是指某一個帶電體 它是指一個特定的電荷量 另外任何帶電體所帶電荷量都是1 6 10 19C的整數倍 絕緣細線上端固定 下端掛一輕質小球a a的表面鍍有鋁膜 在a旁有一絕緣金屬球b 開始時 a b都不帶電 如圖所示 現使b帶電 則 A b將吸引a 吸住后不放開B b先吸引a 接觸后又把a排斥開C a b之間不發(fā)生相互作用D b立即把a排斥開 解析 b球帶電后 使a產生靜電感應 感應的結果是a靠近b的一側出現與b異種的感應電荷 遠離b的一側出現與b同種的感應電荷 雖然a上的感應電荷等量異號 但因為異種電荷離b更近 所以b對a的靜電力表現為引力 當b吸引a使兩者接觸后 由于接觸帶電 b a便帶同種電荷 有斥力作用 因而又把a排斥開 所以B正確 答案 B 方法總結 在處理帶電物體間發(fā)生相互作用時 需特別注意帶電物體具有吸引不帶電的輕小物體的特性 所以當兩物體相互吸引時 其可能情況是一個帶電 另一個不帶電 也可能是兩物體帶異種電荷 當物體接觸后 它們可能帶同種電荷產生斥力 不少同學注意到了第二種情況 漏掉了第一種情況 2014 棗莊一模 現有絲綢 玻璃 塑料薄膜三種材料 通過實驗發(fā)現 當被絲綢摩擦過的玻璃棒靠近被絲綢摩擦過的塑料薄膜時 兩者相互吸引 據此排出三種材料的順序 使前面的材料跟后面的材料摩擦后 前者總是帶負電 這個順序是 A 絲綢 玻璃 塑料薄膜B 塑料薄膜 玻璃 絲綢C 塑料薄膜 絲綢 玻璃D 絲綢 塑料薄膜 玻璃 變式訓練1 1 解析 根據電荷守恒定律可知 被絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電 絲綢帶負電 則絲綢得到電子的能力比玻璃棒大 玻璃棒吸引塑料薄膜 表明塑料薄膜帶負電 即塑料薄膜得到電子的能力比絲綢大 三種得到電子的能力由大到小排列為 塑料薄膜 絲綢 玻璃棒 前面的材料跟后面的材料摩擦后 前者總是帶負電 故C選項正確 答案 C 如圖所示 A B為相互接觸的用絕緣支架支持的金屬導體 起初它們不帶電 在它們的下部貼有金屬箔片 C是帶正電的小球 下列說法正確的是 A 把C移近導體A時 A B上的金屬箔片都張開B 把C移近導體A 先把A B分開 然后移去C A B上的金屬箔片仍張開C 先把C移走 再把A B分開 A B上的金屬箔片仍張開D 先把A B分開 再把C移走 然后重新讓A B接觸 A上的金屬箔片張開 而B上的金屬箔片閉合 解析 1 C移近A時 帶正電的小球C對A B內的電荷有力的作用 使A B中的自由電子向左移動 使得A端積累了負電荷 B端積累了正電荷 其下部的金屬箔片也分別帶上了與A B同種性質的電荷 由于同種電荷間的斥力 所以金屬箔片都張開 A正確 2 C靠近后保持不動 把A B分開 A B上的電荷因受C的作用力不可能中和 因而A B仍帶等量的異種感應電荷 此時即使再移走C 因A B已經絕緣 所帶電荷量也不會變 金屬箔片仍張開 B正確 3 若先移走C 再把A B分開 則在移走C后 A B上的感應電荷會馬上在其相互之間的引力作用下吸引中和 不再帶電 所以箔片都不會張開 C錯 4 先把A B分開 再移走C A B仍然帶電 但重新讓A B接觸后 A B上的感應電荷完全中和 箔片都不會張開 D錯 答案 AB 方法總結 感應起電的實質是與帶電體靠近的導體中的自由電子的轉移 分析時注意以下幾點 1 明確帶電體與感應起電的導體 2 弄清楚導體靠近帶電體的一端和遠離帶電體的另一端 近端感應出異種電荷 遠端感應出同種電荷 3 注意拿走物體的順序 若保持帶電體不動 先分開導體的靠近端和遠離端 再移走帶電體 則靠近端帶異種電荷 遠離端帶同種電荷 若先移走帶電體 則導體上的電荷會立即中和 不再帶電 如圖所示是一個帶正電的驗電器 當一個金屬球A靠近驗電器上的金屬小球B時 驗電器中金屬箔片的張角減小 則 A 金屬球A可能不帶電B 金屬球A一定帶正電C 金屬球A可能帶負電D 金屬球A一定帶負電 變式訓練2 1 解析 驗電器上的金屬箔片和金屬球都帶有正電荷 金屬箔片之所以張開 是由于箔片上的正電荷互相排斥造成的 當驗電器金屬箔片的張角減小時 說明箔片上的正電荷一定比原來減少了 由于金屬球A只是靠近驗電器而沒有與驗電器上的金屬球B發(fā)生接觸 要考慮感應起電的影響 當金屬球A靠近時 驗電器的金屬球B 金屬桿包括金屬箔片整體相當于一個導體 金屬球A距金屬球B較近 而距金屬箔片較遠 如果金屬球A帶正電 驗電器上的正電一定向遠處移動 則金屬箔片上的正電荷量不會減少 所以選項B是錯誤的 如果金屬球A帶負電 驗電器上的負電荷會由于靜電力作用向金屬箔片移動 造成金屬箔片上的正電荷量減少 所以選項C是正確的 如果金屬球A不帶電 由于受到金屬球B上正電荷的影響 金屬球A上靠近金屬球B的部分也會由于靜電力的作用出現負電荷 而這些負電荷反過來會使得驗電器上的負電荷向金屬箔片移動 效果與金屬球A帶負電荷一樣 所以選項A也是正確的 選項D是錯誤的 答案 AC 兩個完全相同的帶電絕緣金屬小球A B 分別帶有電荷量QA 6 4 10 9C QB 3 2 10 9C 讓兩絕緣金屬小球接觸 在接觸過程中 電子如何轉移 轉移了多少 答案 見解析 方法總結 1 金屬導體內能自由移動的電荷是電子 所以兩個金屬導體接觸起電的實質是電子的轉移 2 相同金屬球相互接觸時電荷量的分配規(guī)律將帶電荷量Q1與帶電荷量Q2的金屬球接觸后 小球的帶電量分配規(guī)律如下 2014 江蘇模擬 A B兩物體均不帶電 相互摩擦后A帶負電荷 電荷量大小為Q 則B的帶電情況是 A 帶正電荷 電荷量大于QB 帶正電荷 電荷量等于QC 帶負電荷 電荷量大于QD 帶負電荷 電荷量等于Q解析 根據電荷守恒定律可知 AB相互摩擦后 A得到電子的能力大于B 物體帶負電荷 物體B帶正電荷 電荷量等于Q 故B選項正確 答案 B 變式訓練3 1 1 2015 南平市松溪一中期中 關于摩擦起電和感應起電 以下說法正確的是 A 摩擦起電是因為電荷的轉移 感應起電是因為產生電荷B 摩擦起電是因為產生電荷 感應起電是因為電荷的轉移C 不論摩擦起電還是感應起電都是電荷的轉移D 以上說法均不正確 解析 摩擦起電和感應起電的實質都是電荷的轉移 不是產生電荷 A B D選項錯誤 C選項正確 答案 C 2 下列關于電荷 電荷量的說法正確的是 A 自然界存在有三種電荷 正電荷 負電荷和元電荷B 物體所帶的電荷量可以是任意值C 物體所帶的電荷量只能是某些特定的值D 物體的帶電量可以是2 10 19C解析 元電荷不是一種電荷 它是電荷量 故A選項錯誤 物體所帶的電荷量只能是某些特定的值 均應是元電荷的整數倍 即1 6 10 19C的整數倍 故B D選項錯誤 C選項正確 答案 C 3 在秋冬的干燥天氣里 當你在黑暗中脫下含腈綸材料的衣服時 會看到 閃光 同時聽到 啪啪 的聲音 對于這一現象的解釋 下列說法中正確的是 A 感應起電現象B 接觸起電現象C 摩擦起電現象D 電荷中和現象解析 在秋冬的干燥天氣里 脫衣時衣服之間相互摩擦 彼此帶上異種電荷 屬于摩擦起電現象 故C選項正確 答案 C 4 原來甲 乙 丙三物體都不帶電 今使甲 乙兩物體相互摩擦后 乙物體再與丙物體接觸 最后 得知甲物體帶正電1 6 10 15C 丙物體帶電8 10 16C 則對于最后乙 丙兩物體的帶電情況下列說法中正確的是 A 乙物體一定帶有負電荷8 10 16CB 乙物體可能帶有負電荷2 4 10 15CC 丙物體一定帶有正電荷8 10 16CD 丙物體一定帶有負電荷8 10 16C 解析 由于甲 乙 丙原來都不帶電 即都沒有凈電荷 甲 乙摩擦導致甲失去電子1 6 10 15C而帶正電 乙物體得到電子而帶1 6 10 15C的負電荷 乙物體與不帶電的丙物體相接觸 從而使一部分負電荷轉移到丙物體上 故可知乙 丙兩物體都帶負電荷 由電荷守恒可知乙最終所帶負電為1 6 10 15C 8 10 16C 8 10 16C 故A D正確 答案 AD 5 有A B C三個塑料小球 A和B B和C C和A間都是相互吸引的 如果A帶正電 則 A B C球均帶負電B B球帶負電 C球帶正電C B C球中必有一個帶負電 而另一個不帶電D B C球都不帶電解析 A帶正電 A吸引C 則C可能帶負電或不帶電 A吸引B 則B可能帶負電或不帶電 若B帶負電 B又吸引C 則C此時不帶電 同理 若C帶負電 則B不帶電 答案 C