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1、专题33 电荷性质及其描述 库仑定律一、电荷性质及其描述1电荷（1）物体带电物体有了吸引轻小物体的性质，我们就说它带了电，或有了电荷。（2）两种电荷自然界中只存在两种电荷：正电荷和负电荷，由美国科学家富兰克林命名。物体所带电荷的多少叫电荷量。正电荷用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷叫做正电荷（原子核带正电荷）。负电荷用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷叫做负电荷（电子带负电荷）。相互作用规律：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。同种电荷放在一起，电荷量可以相互加强，异种电荷放在一起，电荷量会发生中和。（3）物体带电的本质物质有原子构成，原子由带正电的原子核和带负电的核外电子组成。在物体内部，原子核是相对
2、固定的，内部的质子也不能脱离原子核而移动，而离核较远的核外电子容易受到外界的作用而脱离原子，所以起电过程中转移的都是核外电子。物体由中性原子组成，对外表现为不带电的状态，呈电中性；呈电中性的物体失去电子则带正电，呈电中性的物体得到电子则带负电。物体带电的实质是电子的得失。2三种起电方式（1）摩擦起电当两个物体相互摩擦时，由于不同物质的原子核对核外电子的舒服能力不一样，束缚能力强的物质在摩擦中得到电子带负电，束缚能力若的物质在摩擦中失去电子带正电。如毛皮摩擦硬橡胶棒，硬橡胶棒得到电子带负电；丝绸摩擦玻璃棒，玻璃棒失去电子带正电。本质：摩擦起电时，电荷并没有凭空产生，其本质是电子在相互摩擦的两个物
3、体间发生了转移，所以两个相互摩擦的物体一定是同时带上性质不同的电荷，且电荷量相等。因为摩擦起电时物体所带电荷的性质取决于两种物质的原子核束缚电子的能力的大小，所以同一物体与不同种类的物体摩擦时，可能带上不同种类的电荷。（2）感应起电静电感应：当一个带电体靠近导体时，由于电荷间相互吸引或排斥，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，这种现象叫作静电感应。利用静电感应使金属导体带电的过程叫作感应起电。本质：导体中的自由电荷在带电体作用下在导体内部发生转移。（3）接触起电定义：一个物体带电时，所带电荷之间会相互排斥，如果接触另一个导体，电荷
4、会转移到这个导体上，使这个导体也带电，这种起电方式成为接触起电。本质：电子的得失，即电子从一个物体转移到另一个物体上。电荷量分配接触起电时，两个物体最终的电荷量分配很复杂，大多数靠实验才能确定，但有一种情况能确定电荷量分配，即完全相同的导体球相互接触后电荷量平分。例如，让带电荷量分别为Q1、Q2的两个完全相同的金属球接触，若两球接触前带同号电荷，则接触后每个小球所带的电荷量均为总电荷量的一半，即（计算时Q1、Q2均带正号或均带负号），电性与两球原来所带电荷的电性相同；若两球接触前带异号电荷，则接触后先中和，再将剩余的电荷量平均分配，即（计算时Q1、Q2一正一负），且与接触前带电荷量大的球的电性
5、相同。3电荷守恒定律（1）两种表述电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或从一个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。这个结论叫做电荷守恒定律。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）说明这个由实验总结出来的规律是自然界最重要的基本规律之一，它既适用于静止电荷，也适用于流动电荷；不仅在宏观领域中成立，而且在微观领域中同样成立。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。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
6、重新分配。正、负电子对湮灭与电荷守恒定律不矛盾。近代物理实验发现，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好产生的，两种电荷数目相等、正负相反，而光子或中子都是中性的，本身不带电，所以电荷的代数和不变。即正、负电子对的产生和湮灭与电荷守恒定律并不矛盾。4元电荷（1）电荷量定义：物体带电的多少叫做电荷量，常用符号Q或q表示。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。（2）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，但
7、符号相反。人们把这个最小的电荷量叫做元电荷，用e表示。我们在计算中可取e=1.601019 C。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，电荷量时不能连续变化的物理量。（3）比荷带电体所带电荷量q与其质量m之比叫做比荷。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，叫做电子的比荷，为。5三种起电方式的比较起电方式摩擦起电感应起电接触起电产生条件两不同绝缘体摩擦时导体靠近带电体时导体与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，且电性与原带电体“近异远同”导体上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
8、子的束缚能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）电荷之间的相互排斥实质均为电荷在物体之间或物体内部的转移6对元电荷的理解（1）元电荷e又称“基本电荷量”，是自然界存在的最小的电荷量。最早是由美国科学家密立根用实验测定的。元电荷作为电荷量的单位，是物理学的基本常量之一。e=1.601019 C。（2）元电荷只是一个电荷量的点位，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（随说其所带电荷量为一个元电荷）。（3）元电荷是自然界中最小的电荷量。电荷量时不能连续变化的物理量，因为任何带电体的电荷量都是元电荷的整
9、数倍。（4）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，它之处元电荷e不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。科学家们还未捕捉到自由夸克，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”，能否解放别禁闭的夸克，是物理学发展面临的一个重大课题。这也说明科学正是由一个个的突破，才得到进一步发展的。7验电器和静电计验电器静电计图示结构玻璃瓶内有两片金属箔片，用金属丝挂在一根导体棒的下端，棒的上端通过瓶塞从瓶口伸出验电器中的金属箔片换成指针，并用金属做外壳作用判断物体是否带电以及所带电荷的种类和相对属相粗略测量两导体间电势差的大小工作原理静电计是通过改造验电器得来的，两
10、者原理相同，都是根据同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引来工作的二、库仑定律1点电荷（1）定义：在研究带电体间的相互作用时，如果带电体本身的线度远小于它们之间的距离带电体本身的大小，对我们所讨论的问题影响甚小，相对来说可把带电体视为一几何点，并称它为点电荷。（2）条件：把带电体看作点电荷的条件是：带电体的大小、形状对所研究的问题的影响很小，以致可以忽略时，带电体就可以看作点电荷。一个带电体能否被视为点电荷完全取决于自身的几何形状与带电体之间的距离的比较，与单个带电体的大小无直接关系。一个很小的带电体不一定能视为点电荷，带电体很大，也不一定不能视为点电荷。点电荷类似于力学中的质点，也是一种理想化的
11、物理模型。点电荷具有相对意义，带电体的尺寸不一定很小，视具体情况而定。同一个带电体有时可以视为点电荷，有时则不能看成点电荷。2库仑定律（1）探究影响电荷间相互作用力的因素实验原理如图所示，A、B在同一水平线上，。变大，F变大；变小，F变小方法（控制变量法）探究电荷间作用力与距离的关系探究电荷间作用力与电荷量的关系实验操作保持电荷量不变，改变悬点位置，从而改变小球间距r，观察夹角的变化情况保持小球间距不变，改变小球带的电荷量q，观察夹角的变化情况实验现象r变大，变小r变大，变小q变大，变小q变大，变小实验结论电荷间的相互作用力随电荷间距离的增大而减小，随电荷量的增大而增大（2）内容真空中两个静止
12、点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比；与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。这个规律叫做库仑定律，电荷间这种相互作用力叫做静电力或库仑力。（3）公式（4）适用条件库仑定律公式的适用条件是真空中的静止点电荷（源电荷）（5）静电力常量公式中，k=9.0109 Nm2/C2，叫做静电力常量，其意义是两个电荷量为1 C的点电荷在真空中相距1 m时，相互作用力是9.0109 N。（6）库仑力的方向在两点电荷的连线上，同号电荷相斥，异号电荷相吸。特别提醒：库仑定律的公式仅适用于真空中静止的点电荷间静电力的计算，对于不能看作点电荷的带电体，不能直接应用库仑定律计算静电力。在干
13、燥的空气中，库仑定律近似适用，若在电介质（电介质为绝缘体，如空气、煤油）中，两个点电荷间的作用力，为电介质的介电常数。相距一定距离的两个均匀带电球体之间或者一个均匀带电球体与球外一个点电荷间的相互作用，也可用库仑定律公式来计算，此时式中的r是两个带电球体球心间或球心点与点电荷间的距离。3库仑的实验（1）实验原理库仑做实验用的装置叫做库仑扭称秤，如图所示，AB是两端带有相同的小金属球a和b、质量分布均匀的绝缘棒。装置中有一根弹性妞丝（细的金属丝、石英玻璃丝等）拴在AB的中点O，使AB水平地悬挂在顶端的一个螺旋丝M上。C也是一根绝缘棒，其上端装有小金属球c。当弹性扭丝处于自然状态时，调节螺丝M，使
14、a与c接触，接着使c带上电荷，因a、c之间的斥力，使AB转动。当a、c间的斥力产生的转动力矩与扭丝阻碍绝缘棒AB转动的力矩达到平衡时，AB就静止在某一角度上。根据这一角度，变可测出带电小球间的斥力。（2）实验步骤改变a和c之间的距离，记录每次扭丝扭转的角度，便可找出力F与距离r的关系。改变a和c之间的距离，记录每次扭丝扭转的角度，便可找出力F与电荷量q之间的关系。（3）实验结论力F与距离r的二次方成反比，；力F与电荷量q1和q2的乘积成正比，。说明：根据库仑实验的结论，我们可用一个公式表示库仑定律，即得到了库仑定律的表达式：。4点电荷与元电荷、带电体的区别（1）元电荷是一个电子或一个质子所带电
15、荷量的绝对值，是电荷量的最小单位。（2）点电荷不考虑带电体的大小和形状，是带电个体，其带电荷量可以很大，也可以很小，但它一定是一个元电荷的整数倍。（3）有一定体积和形状，带有电荷的物体为带电体，如果收到其他电荷作用时，一般会引起电荷在物体上的重新分布。5对库仑定律的深入理解（1）在理解库仑定律时，有人根据公式，设想当r0时得出F的结论。从数学角度分析时正确的，但从屋里角度分析，这一结论是错误的。错误的原因是：当r0时两电荷已市区了作为点电荷的前提条件，何况实际带电体都有一定大小，根本不会出现r=0的情况。也就是r0时，不能再利用库仑定律计算两电荷间的相互作用。（2）实际中，可将计算库仑力的大小与判断库仑力的方向分别进行，即用公式计算库仑力时，不必将其电荷量的绝对值代入公式中计算出力的大小；力的方向再根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引加以判别。也可将q1、q2带符号运算，结果中F为“+”表示斥力，F为“”表示引力。（3）库仑力也叫静电力，是“性质力”，不是“效果
