高考物理考点——电荷性质及其描述 库仑定律

考点解读

 

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。[来源:]

①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)。

②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)。

③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

①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。

②在物体内部,原子核是相对固定的,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。

③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

①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。

②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。

③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

①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。

②利用静电感应使金属导体带电的过程叫作感应起电。

③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

①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。

②本质:电子的得失,即电子从一个物体转移到另一个物体上。

③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相同。

3.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。

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。

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。

④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

①定义:物体带电的多少叫做电荷量,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。

(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=1.60×10–19 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=1.60×10–19 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。

 

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。

①一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。

②点电荷类似于力学中的质点,也是一种理想化的物理模型。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

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。

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r→0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r→0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r→0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“效果力”,它与重力、弹力、摩擦力一样具有自己的特性,同样遵循牛顿第三定律——大小相等、方向相反,不要认为电荷量大的电荷对电荷量小的电荷的作用力大。在实际应用时,与其他性质的力一样,受力分析时不能漏掉。

 

重点考向

考向一 电荷间的相互作用规律及其应用

典例引领

绝缘细线上端固定,下端悬挂一轻质小球a,a的表面镀有铝膜,在a的近旁有一绝缘金属球b,开始时a、b都不带电,如图所示,现使b带电,则

A.a、b间不发生相互作用

B.b将吸引a,吸住后不放开

C.b立即把a排斥开

D.b先吸引a,接触后又把a排斥开

 

【参考答案】D

【详细解析】不带电的轻质小球a靠近带电金属球b时,由于静电感应,a上靠近b球一端将带有异种电荷,远离b球一端带有同种电荷,b对a的引力大于斥力,所以表现为b要吸引a。当a与b接触后,由于接触带电,a与b带上同种电荷,b要排斥a,故只有选项D正确。

 

变式拓展

1.(2018·广东省汕头市金山中学高二上学期期中考试)下列对电现象及规律的认识中,正确的是

A.自然界中只存在正、负两种电荷

B.同种电荷互相吸引,异种电荷互相排斥

C.摩擦起电说明了电荷可以创造

D.点电荷之间距离越大,则静电力也越大

 

【答案】A

【解析】自然界中只存在正、负两种电荷,选项A正确;同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引,选项B错误;摩擦起电不是创造了电荷,而是电荷的转移,选项C错误;根据库仑定律,点电荷之间距离越大,则静电力也越小,选项D错误;故选A。

 

2.甲、乙两个带电体之间的静电力为引力,可以肯定

A.它们都带正电            B.它们都带负电

C.甲的电量大于乙的电量          D.一个带正电,另—个带负电

 

【答案】D

【解析】同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,所以可以肯定的是这两个电荷带异种电,D正确。

【名师点睛】本题是一道很基础性的题目,比较简单,关键是理解电荷间的相互作用规律。

 

考向二 静电感应

典例引领

 

变式拓展

 

1.有一带正电的验电器,当一金属球A靠近验电器的小球B(不接触)时,验电器的金箔张角减小,则

A.金属球可能不带电            B.金属球可能带负电

C.金属球可能带正电            D.金属球一定带负电

 

【答案】AB

【解析】验电器的金箔之所以张开,是因为它们都带有正电荷,而同种电荷相排斥。张开角度的大小决定于两金箔带电荷量的多少,如果A球带负电,靠近验电器的B球时,异种电荷相互吸引,使金箔上的正电荷逐渐“上移”,从而使两金箔夹角减小,选项B正确,同时否定选项C。如果A球不带电,在靠近B球时,发生静电感应现象,使A球电荷发生极性分布,靠近B球的端面出现负的感应电荷,而背向B球的端面出现正的感应电荷,A球上的感应电荷与验电器上的正电荷发生相互作用,从而使金箔张角减小,A正确,D错误。

 

2.(2018·宁夏育才中学高二上学期第一次(9月)月考)如图所示,两个相同的空心金属球M和N,M带-Q电荷,N不带电(M、N相距很远,互不影响),旁边各放一个不带电的金属球P和R,当将带正电Q的小球分别放入M和N的空腔中时

A.P、R上均出现感应电荷

B.P上没有,而R上有感应电荷

C.P上有,而R上没有感应电荷

D.P、R上均没有感应电荷

 

【答案】B

【解析】把一个带正电Q的小球放入原来不带电的金属空腔球壳内,带负电的电子被带正电的小球吸引到内表面,内表面带负电,外表面剩余了正电荷,外表面带正电,而R处于电场中,出现静电感应现象,从而导致R上有感应电荷出现,若将带正电Q的小球放入带-Q电荷M空腔内时,因同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,若正负电荷相等,则金属壳上没有多余电荷,则P处没有电场,因而没有感应电荷;若正负电荷不相等,则P处有电场,则出现感应电荷,故ACD错误,B正确。故选B。

【名师点睛】本题考查感应带电的实质:电子从导体的一部分转移到另一部分,掌握静电感应的原理,注意带正电与带负电的电量相等,是解题的关键。

 

考向三 验电器检测电荷的原理

典例引领

电荷是看不见的,但能被验电器检测出来是否存在,普通验电器顶部装有一个金属球,金属球与金属杆相连,在金属杆的底部是两片很薄的金属片,当验电器不带电荷时,金属片自然下垂,当一个带电体接触到金属球时,电荷能沿着金属棒传递,金属片就带有电荷,由于同时带有同一种电荷,两金属片相互排斥而张开,不管被检验的物体带负电还是正电,验电器的金属片都会张开,因此,这种验电器

A.能用来直接判断电荷的正负

B.不能用来直接判断电荷的正负

C.不能用来间接判断电荷的正负

D.可以直接测量物体的带电量

 

【参考答案】B

【详细解析】验电器是利用同种电荷相互排斥的原理制成的,故验电器张开的角度越大,说明带电体所带的电荷越多,不能直接判断电荷的正负,只可以定性表物体带电量的多少,故B正确、ACD错误。故选:B。

 

变式拓展

1.(2018·贵州省铜仁市伟才学校高二上学期期中考试)使带电的金属球靠近不带电的验电器,验电器的箔片张开。下图中表示验电器上感应电荷的分布情况,正确的是

【答案】B

【解析】使带电的金属球靠近不带电的验电器,验电器会发生静电感应。AC:若金属球带正电,验电器的小球会带负电,验电器的金属箔会带上等量的正电,金属箔张开。故AC两项错误。BD:若金属球带负电,验电器的小球会带正电,验电器的金属箔会带上等量的负电,金属箔张开。故B项正确,D项错误。

【名师点睛】一个带电的物体与不带电的导体相互靠近时由于电荷间的相互作用,会使导体内部的电荷重新分布,异种电荷被吸引到带电体附近,同种电荷被排斥到远离带电体的导体另一端。

 

2.如图所示,有一带正电的验电器,当一金属球A靠近验电器的小球B(不接触)时,验电器的金属箔张角减小,则

A.金属球可能不带电              B.金属球可能带负电

C.金属球可能带正电              D.金属球一定带负电

 

【答案】AB

【解析】验电器原来带正电,张角减小,说明其带的正电荷减少,由此可知正负电荷是发生了中和现象,即导体上的电子中和了验电器上的正电荷。当导体带负电时可以发生这种反应;当导体不带电时,验电器上的正电荷照样可以吸引导体上的电子而发生中和反应,导体由于少了负电荷而带正电。所以选AB。

【名师点睛】验电器是利用同种电荷相互排斥的原理制成的,其金属箔片的张角减小,说明其带的电荷量减少,由此入手来解决此题。

 

考向四 多个电荷共存时的库仑力

典例引领

如图,三个小球a、b、c分别用三根绝缘细线悬挂在同一点O,细线的长度关系为Oa=Ob<Oc,三球带电后能静止在图中位置。此时细线Oc沿竖直方向,a、b、c连线后恰构成一等边三角形,则下列说法正确的是

A.a、b、c三球质量一定相等

B.a、b、c三球所带电荷量一定相等

C.细线Oa、Ob所受拉力大小相等

D.a、b、c三球所受库仑力大小一定相等

 

【参考答案】C

【详细解析】由于Oc沿竖直方向,而c受重力及绳拉力也在竖直方向,所以a对c的库仑力与b对c的库仑力一定等大,所以qa=qb;又因ab连线处于水平,则ma=mb;因c对a、b的库仑力大小相等,由受力分析知Oa、Ob所受拉力大小相等,C正确;而c的电荷量与a、b电荷量不一定相等,所以a、b、c三球所受库仑力大小不一定相等,故ABD错,应选C。

 

变式拓展

1.三个相同的金属小球1、2、3分别置于绝缘支架上,各球之间的距离远大于小球的直径。球2所带电荷量大小是球1的n倍,球3不带电且离球l和球2很远,此时球1、2之间作用力的大小为F。现使球3先与球2接触,再与球1接触,然后将球3移至远处,此时1、2之间作用力的大小仍为F。由此可知n的取值可能是

A.n=3                        B.n=6

C.n=7                        D.n=10

 

【答案】BD

【名师点睛】考查库仑定律与矢量的合成法则,掌握几何关系,与三角形相似比的运用,注意小球c的合力方向可能向左,不影响解题的结果。

 

考向五 非点电荷间的库仑力

典例引领

 

变式拓展

 

2.如图所示,固定在竖直面内的光滑金属细圆环半径为R,圆环的最高点通过长为L的绝缘细线悬挂质量为m、可视为质点的金属小球,已知圆环所带电荷量均匀分布且带电荷量与小球相同,均为Q(未知),小球在垂直圆环平面的对称轴上处于平衡状态,已知静电力常量为k,重力加速度为g,细线对小球的拉力为F(未知),下列说法正确的是

 

考向六 库伦定律与电荷守恒定律的结合 

典例引领

(2018·广东省汕头市金山中学高二上学期期中考试)在真空中有两个点电荷,要使它们间的库仑力增大到原来的4倍,下面方法中可行的是

A.保持距离不变,两个点电荷的电量都加倍

B.只增大距离到原来的两倍

C.只减小距离到原来的一半

D.电量和距离都增大到原来的两倍

 

变式拓展

 

考向七 带电体在库仑力作用下的平衡问题 

典例引领

如图所示,两个带有同种电荷的小球,用绝缘细线悬挂于O点,若q1>q2l1>l2,平衡时两球到过O点的竖直线的距离相等,则

A.m1>m2

B.m1=m2

C.m1<m2

D.无法确定

 

变式拓展

【名师点睛】本题考查了库仑定律在电荷平衡中的应用,对于三个电荷平衡可以利用“两同夹异,近小远大”的规律进行电性判断,本题的难点在于计算,学生列出方程容易,但是计算正确难。

 

考向八 库仑力与力学的综合问题 

典例引领

如图所示,Q为固定的正点电荷,A、B两点位于Q的正上方和Q相距分别为h和0.25h,将另一点电荷从A点由静止释放,运动到B点时速度刚好又变为零。若此电荷在A点处的加速度大小为3g/4,则此电荷在B点处的加速度a为

 

A.a=4g,方向竖直向上            B.a=4g,方向竖直向下

C.a=3g,方向竖直向上            D.a=3g,方向竖直向下

变式拓展

【名师点睛】本题考查功能关系与库仑定律的运用,在解题时合适地选择研究的过程,运用做功的特点分析即可求解。

【名师点睛】本题关键分别对两个小球受力分析,然后根据平衡条件列方程;再结合库仑定律列方程分析求解。

 

练习精选

考点冲关

1.(2018·广东省汕头市金山中学高二上学期期中考试)晚上用塑料梳子梳头发时,会有“啪啪”声,甚至梳子与头发有吸引的现象,这是因为

A.头发本来是带电的

B.梳子本来是带电的

C.梳子与头发摩擦后带电

D.它们之间有摩擦力的原因

 

2.对物体带电现象的叙述,下列说法正确的是

A.一个不带电的物体内一定没有电荷

B.物体带电一定具有多余的电子

C.物体带电的过程就是电荷移动的过程

D.物体带电的过程就是创造电荷的过程

 

3.(2018·湖南省邵东县第十中学高二上学期期中考试)下面关于点电荷的说法正确的是

A.点电荷是带电荷量很小的带电体

B.带电体体积很大时不能看成点电荷

C.点电荷的带电荷量可能是

D.大小和形状对作用力影响可以忽略的带电体可看作点电荷

 

4.在科学发展过程中,许多科学家对物理学的发展作出了巨大贡献,下列表述正确的是

A.开普勒在整理第谷的观测数据之上,总结得到行星运动规律

B.库仑提出了电荷周围存在电场的观点

C.元电荷e的数值最早是由物理学家法拉第测得的

D.伽利略发现万有引力定律并测得万有引力常量G值

 

5.(2018·云南省永仁县一中高二10月份考试)M和N都是不带电的物体,它们互相摩擦后M带正电荷1.6×10-10C,下列判断中正确的是

A.在摩擦前M和N的内部没有任何电荷

B.摩擦的过程中电子从N转移到了M

C.N在摩擦后一定带负电荷1.6×10-10C

D.M在摩擦过程中失去了1.6×10-10个电子

 

6.用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的硬橡胶棒,都能吸引轻小物体,这是因为

A.被摩擦过的玻璃棒和硬橡胶棒一定带上了电荷

B.被摩擦过的玻璃棒和硬橡胶棒一定带有同种电荷

C.被吸引的轻小物体一定是带电体

D.被吸引的轻小物体一定带正电

 

7.(2018·北京市丰台区高二上学期期末)如图所示,A、B是两个带电小球,A球固定在绝缘支架上,B球用绝缘细线悬挂于O点,平衡时细线与竖直方向的夹角为θ。下列说法正确的是

A.A球对B球的作用力就是A球电场对B球的作用

B.若A球带正电,则B球带负电

C.若增加A球所带电荷量,则θ角将变小

D.若向左平移A球,则θ角将变大

 

8.如图所示,两个互相接触的导体A和B不带电,现将带正电的导体C靠近A端放置,然后移开A、B,三者均有绝缘支架。则A、B的带电情况为

A.A带正电,B带负电

B.A带负电,B带正电

C.A、B都带正电

D.A、B都带负电

 

9.(2018·黑龙江省哈尔滨市阿城区龙涤中学高二上学期期中(学业水平)考试)如图所示,放在绝缘台上的金属网罩B内放有一个不带电的验电器C,若把一带有正电荷的绝缘体A移近金属罩B,则

A.在B的外表面出现感应电荷

B.在B的内表面出现正电荷

C.验电器的金属箔片将张开

D.B的左右两侧电势相等

 

体验高考

 

参考答案

高考物理

高考物理考点——动量与能量的综合应用

2020-1-13 11:29:52

高考物理

高考物理考点——带电粒子在静电场中的运动

2020-1-15 11:12:27

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