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2019-2020年人教版高中物理選修3-1 第一章 第1節(jié) 電荷及其守恒定律 教案1 三維目標(biāo) 知識與技能 1．知道兩種電荷及其相互作用，知道電荷量的概念； 2．知道摩擦起電及原因； 3．知道靜電感應(yīng)現(xiàn)象及原因； 4．知道電荷守恒定律； 5．知道什么是元電荷。 過程與方法 1．通過對初中知識的復(fù)習(xí)，使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識自然界中的兩種電荷； 2．通過對原子核式結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生明確摩擦起電和感應(yīng)起電不是創(chuàng)造了電荷，而是使物體中的電荷分開，但對一個(gè)與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)，電荷的代數(shù)和不變。 情感態(tài)度與價(jià)值觀 通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生從微觀的角度認(rèn)識物體帶電的本質(zhì)。 教學(xué)重點(diǎn) 電荷守恒定律。 教學(xué)難點(diǎn) 利用電荷守恒定律分析、解決摩擦起電和感應(yīng)起電的相關(guān)問題。 教學(xué)過程 ［新課導(dǎo)入］ 我們已經(jīng)知道，用絲綢摩擦過的玻璃棒，用毛皮摩擦過的硬橡膠棒，都能吸引輕小物體，它們都帶上了電荷。 1、自然界中的兩種電荷 摩擦過的物體所帶的電荷有兩種：用絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷是一種，用毛皮摩擦過的硬橡膠棒所帶的電荷是另一種。同種電荷相斥，異種電荷相吸。人們沒有發(fā)現(xiàn)對上述兩種電荷都排斥或都吸引的電荷。這表明，自然界的電荷只有兩種。美國科學(xué)家富蘭克林把用絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷稱為正電荷，用正數(shù)表示；把把用毛皮摩擦過的硬橡膠棒所帶的電荷稱為負(fù)電荷，用負(fù)數(shù)表示。 2、電荷間的相互作用 同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。 本章將學(xué)習(xí)靜電學(xué)。將從物質(zhì)的微觀角度認(rèn)識物體帶電的本質(zhì)，電荷之間相互作用的基本規(guī)律以及與靜止電荷相聯(lián)系的靜電場的基本性質(zhì)。 ［新課教學(xué)］ 一、電荷 1．原子的核式結(jié)構(gòu) 我們知道，物體是由原子組成的，原子是由原子核和核外電子組成的。原子核帶正電，電子帶負(fù)電。在通常的情況下，原子核所帶的正電荷和核外電子所帶的負(fù)電荷在數(shù)量上相等，原子呈電中性，由原子組成的物體也呈電中性，對外表現(xiàn)為不帶電的狀態(tài)。 （1）原子由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成。 （2）任何不帶電的物體，其中都有等量的正負(fù)電荷。 不同物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)不同，原子中電子的多少的運(yùn)動狀況也不相同。不僅如此，當(dāng)大量原子或分子組成大塊物質(zhì)時(shí)，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移動，這種電子叫做自由電子。失去這種電子的原子便成為帶正電的離子，它們在金屬內(nèi)部排列起來，每個(gè)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。 2．摩擦起電 （1）起電及其實(shí)質(zhì) 使物體帶電叫做起電。起電的過程實(shí)際上是使物體中的正負(fù)電荷分開的過程。 （2）摩擦起電 ①實(shí)驗(yàn) 【演示】取兩片吹塑紙，將一片放在可以靈活轉(zhuǎn)動的支座上，用另一片靠近它，讓學(xué)生觀察有什么現(xiàn)象，然后用手摩擦這兩片吹塑紙，再靠近，讓學(xué)生觀察發(fā)生的現(xiàn)象。 （不用手摩擦?xí)r它們沒有作用，用手摩擦后它們互相排斥） 【演示】將一張薄紙，卷成筒狀，將下端撕開成流蘇狀，用摩擦好的塑料制品去接觸，發(fā)現(xiàn)流蘇開始振動，象一只會跳舞的章魚； ②原因 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)一般是穩(wěn)定的。核外的電子靠質(zhì)子的吸引維系在原子核附近。通常離原子核較遠(yuǎn)有電子受到的束縛較小，容易受到外界的作用而脫離原子。當(dāng)兩個(gè)物體相互摩擦?xí)r，一些束縛得不緊的電子往往從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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，這就是摩擦起電的原因。 摩擦起電的原因是不同物質(zhì)的原子核束縛電子的能力不同。 ③實(shí)質(zhì) 摩擦起電不是創(chuàng)造了電荷，而是使物體中的正負(fù)電荷分開，是使自由電子從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。 摩擦起電的實(shí)質(zhì)是電子從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。 ④結(jié)果 兩個(gè)相互摩擦的物體帶上了等量異種電荷。 3．靜電感應(yīng) （1）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 ①實(shí)驗(yàn) 取一對用絕緣柱支持的導(dǎo)體A和B，使它們彼此接觸。起初它們不帶電。貼在下部的金屬箔是閉合的，如圖。 把帶正電的物體C移近導(dǎo)體A，金屬箔有什么變化？ 這時(shí)把A和B分開，然后移去C，金屬箔又有什么變化？ 再讓A和B接觸，又會看到什么現(xiàn)象？ 利用上面介紹的金屬結(jié)構(gòu)的模型，解釋看到的現(xiàn)象。 C － A ＋ B ＋ B ＋ － A 把帶正電荷的球C移近彼此接觸的異體A、B ，可以看到A、B上的金屬箔都張開了，表示A、B都帶上了電荷。如果先把C移走，A和B上的金屬箔就會閉合。如果先把A和B分開，然后移開C，可以看到A和B仍帶有電荷；如果再讓A和B接觸，他們就不再帶電。這說明A和B分開后所帶的是異種等量的電荷，重新接觸后等量異種電荷發(fā)生中和。 ②原因 當(dāng)一個(gè)帶電體靠近導(dǎo)體時(shí)，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。 靜電感應(yīng)起電的原因是電荷間的相互排斥、吸引，使導(dǎo)體內(nèi)的電荷重新分布。 ③實(shí)質(zhì) 感應(yīng)起電也不是創(chuàng)造了電荷，而是使物體中的正負(fù)電荷分開，是電荷從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分。 靜電感應(yīng)的實(shí)質(zhì)不是創(chuàng)造了電荷，而是使自由電荷從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分。 ④結(jié)果 原來不帶電的導(dǎo)體兩端帶上了等量異種電荷。 （2）靜電感應(yīng) 將電荷移近不帶電的導(dǎo)體，可以使導(dǎo)體帶電，這種現(xiàn)象叫做靜電感應(yīng)。 （3）感應(yīng)起電 利用靜電感應(yīng)使物體帶電的過程，叫做感應(yīng)起電。 總結(jié)：不僅摩擦起電可以使物體帶電，靜電感應(yīng)也可使物體帶電。 【做一做】 驗(yàn)電器 為了判斷物體是否帶電以及帶電荷的種類，從18世紀(jì)起，人們經(jīng)常使用一種叫做驗(yàn)電器的簡單裝置：玻璃瓶內(nèi)有兩個(gè)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。如果把金屬箔換成指針，并用金屬做外殼，這樣的驗(yàn)電器也叫靜電計(jì)。 制作一個(gè)驗(yàn)電器，并描述如何用驗(yàn)電器檢測帶電體帶電的種類和相對數(shù)量。 注意觀察：是否只有當(dāng)帶電體與導(dǎo)體棒的上端直接接觸時(shí)，金屬箔才開始張開？解釋看到的現(xiàn)象。 二、電荷守恒定律 1．電荷守恒定律 無論是摩擦起電還是感應(yīng)起電，本質(zhì)上都是使微觀帶電粒子（如電子）在物體之間或物體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，而不是創(chuàng)造出了電荷。 大量事實(shí)表明：電荷既不會創(chuàng)生，也不會消滅，只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(gè)結(jié)論叫做電荷守恒定律。 2．一個(gè)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 近代物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，帶電粒子可以產(chǎn)生的湮滅。例如，由一個(gè)高能光子可以產(chǎn)生一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子；一對正、負(fù)電子可同時(shí)湮沒，轉(zhuǎn)化為光子。不過在這些情況下，帶電粒子總是成對產(chǎn)生或湮沒，兩個(gè)粒子帶電數(shù)量相等但正負(fù)相反，而光子又不帶電，所以電荷的代數(shù)和仍然不變。因此，電荷守恒定律現(xiàn)在的表述是：一個(gè)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。 電荷守恒定律是物理學(xué)中重要的基本定律之一。 三、元電荷 1．電荷量 （1）電荷量 電荷的多少叫做電荷量。 （2）符號 Q或q （3）單位 庫侖，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。 2．元電荷 （1）元電荷 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億帶的電荷量。質(zhì)子、正電子所帶的電荷量與它相同，但符號相反。人們把電子所帶的電荷量的值叫做元電荷，用e表示。 （2）電荷量是不連續(xù)的 實(shí)驗(yàn)指出，所有帶電體的電荷量或者等于e，或者等于e的整數(shù)倍。這就是說，電荷量是不能連續(xù)變化的物理量。 （3）元電荷量e的值：e＝1.6010－19C 電荷量的e數(shù)值最早是由美國科學(xué)家密立根測得的。這是他獲得諾貝爾物理學(xué)獎的重要原因。在密立根實(shí)驗(yàn)之后，人們又做了許多測量，現(xiàn)在公認(rèn)的元電荷的值為 e＝1.602 177.3310－19C 在我們的計(jì)算中，可取 e＝1.6010－19C 元電荷常用作微觀粒子帶電多少的單位。 （3）比荷 電荷量q和質(zhì)量m的比值，叫做帶電粒子的比荷。它也是一個(gè)常用的物理常量。 電子的電荷量e和電子的質(zhì)量me的比值，叫做電子的比荷。電子的質(zhì)量me＝0.9110－30kg，所以電子的比荷為 C/㎏ ［小結(jié)］ 通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)問題： ①使物體帶電的方法及實(shí)質(zhì)：摩擦起電和靜電感應(yīng)都不是創(chuàng)造了電荷，而是使物體上正、負(fù)電荷分開； ②電荷守恒定律：電荷既不能創(chuàng)造，也不能消滅，只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，轉(zhuǎn)移中電荷總量不變。 ③元電荷：人們把電子所帶的電荷量的值叫做元電荷，帶電物體所帶的電荷量是不連續(xù)的。 ［布置作業(yè)］ 教材第4頁“問題與練習(xí)”。