《電荷》精品教案教學目標教學目標：通過實驗，了解靜電現(xiàn)象，認識電荷的定義和屬性。能用以原子結(jié)構(gòu)和電荷守恒的知識分析靜電現(xiàn)象，培養(yǎng)學生基于事實證據(jù)進行科學推理的核心素養(yǎng)。教學重點：通過實驗，了解靜電現(xiàn)象，認識電荷的定義和屬性教學難點：用以原子結(jié)構(gòu)和電荷守恒的知識分析靜電現(xiàn)象教學過程時間教學環(huán)節(jié)主要師生活動環(huán)節(jié)一回顧歷史上對電現(xiàn)象的研究環(huán)節(jié)二認識電荷環(huán)節(jié)三幾種起電方式環(huán)節(jié)四電荷守恒定律環(huán)節(jié)五電荷的量度環(huán)節(jié)一【師】同學們好！請看圖片。公路旁、曠野上，堅實的鋼架托著、吊著粗大的金屬線，仿佛由天際而來，向天際而去......這些由發(fā)電廠、變電站而來的輸電線，將電能輸送到鄉(xiāng)村、工廠，輸送到千家萬戶。電是一個國家科學技術(shù)發(fā)展的基石，被電點亮的城市的夜空，是文明社會的標志，電，也是我們利用計算機、手機等數(shù)字設(shè)備跟世界溝通信息的基礎(chǔ)，電，已經(jīng)滲透到我們的生活的各個角落，它每時每刻都在為人類發(fā)展作著巨大的貢獻。電有什么特性?人類是怎樣開始研究電的現(xiàn)象的？我們怎樣才能更好地利用它?其實，人類研究電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的歷史與研究力學的歷史同樣豐富多彩牛頓曾經(jīng)說:“我認為自己不過像在海灘上玩耍的男孩，不時地尋找比較光滑的卵石或者比較漂亮的貝殼，以此為樂。而我面前，則是一片尚待發(fā)現(xiàn)的真理的大海?！闭麄€自然界，就是牛頓所說的真理的大海。真理的大海中包括我們在高一時學習的力學現(xiàn)象，還包括電現(xiàn)象、磁現(xiàn)象等等等等......但電和磁的世界遠比機械運動的世界更加錯綜復(fù)雜?！編煛炕仡櫲祟悓﹄姮F(xiàn)象的研究公元前600年左右，古希臘學者泰勒斯就發(fā)現(xiàn)摩擦過的琥珀吸引輕小物體的現(xiàn)象。公元1世紀，我國東漢時期，學者王充在《論衡》一書中也寫下“頓牟掇芥”一語。此語意為摩擦過的琥珀能吸引像草芥一類的輕小物體。16世紀，英國科學家吉爾伯特在研究這類現(xiàn)象時首先創(chuàng)造了英語中的“(電)”這個詞，用來表示琥珀經(jīng)過摩擦以后具有的性質(zhì)，并且認為摩擦過的琥珀帶有電荷。除此以外，雷電也是人們觀察到的自然界中的電現(xiàn)象，美國科學家富蘭克林通過實驗發(fā)現(xiàn)，雷電的性質(zhì)與摩擦產(chǎn)生的電的性質(zhì)完全相同，由此統(tǒng)一了自然界中的“天電”和“地電”正是這些早期的科學家們對電現(xiàn)象的研究，揭開了自然界中電現(xiàn)象神秘的面紗。環(huán)節(jié)二【師】研究電現(xiàn)象，就要先認識“電荷”，我們知道，自然界中有正負兩種電荷那么，為什么自然界中只有正負兩種電荷呢？這和人們進一步研究了電荷之間的相互作用力有關(guān)。我們來看視頻一：【生】觀察、思考【師】把一根與絲綢摩擦過玻璃棒懸掛起來，用另一根與絲綢摩擦過玻璃棒接近它，發(fā)現(xiàn)它們是相互排斥的；同樣，懸掛一根與毛皮摩擦過的橡膠棒，用另一根同樣也與毛皮摩擦過的橡膠棒去靠近它，也發(fā)現(xiàn)它們相互排斥；這就是我們初中學習過的同種電荷相互排斥的的現(xiàn)象來看視頻二：【生】觀察、思考【師】將一根與絲綢摩擦過玻璃棒懸掛起來，再用一根與毛皮摩擦過的橡膠棒去接近它，我們看到玻璃棒和橡膠棒相互吸引；這說明與毛皮摩擦過的橡膠棒帶上了跟與絲綢摩擦過的玻璃棒異種的電荷；異種電荷之間是相互吸引的；用許多物體來做類似的摩擦起電的實驗，鑒別它們所帶電荷的種類，迄今為止，我們沒有發(fā)現(xiàn)對這兩種電荷都排斥或都吸引的電荷，因此，我們推斷，自然界的電荷只有兩種。歷史上，科學家們規(guī)定：與絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷為正電荷與毛皮摩擦過的橡膠棒所帶的電荷為負電荷【師】說到使物體帶電，需要我們先明確：“物體帶電”的準確含義指的是什么？從微觀層面來看：物質(zhì)都是由原子組成的，而原子中有帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成的原子核，還有帶負電的核外電子。原子核的正電荷的數(shù)量與電子的負電荷的數(shù)量一樣多，所以整個原子對外界表現(xiàn)為電中性。從宏觀來看，如果一個物體含有的正負電荷數(shù)相等，達到精確的平衡，比如圖一所示的那樣，若圖片中的紅點代表正電荷，綠點代表負電荷，我們數(shù)一數(shù)，發(fā)現(xiàn)他們數(shù)目相等我們就說物體不帶電；再看圖二，圖片中代表正電荷的紅點和代表負電荷的綠點數(shù)目不等，我們就說物體就帶電了。具體來講含有的正電荷數(shù)目多于負電荷數(shù)目，我們就說物體帶正電；含有的負電荷數(shù)目多于正電荷數(shù)目，我們就說物體帶負電；【生】觀察、思考【師】說到這里，有一個問題，同學們可以想一想：為什么有的物體容易帶電，而有的物體很難帶電？【生】想一想通過前面對物體帶電的微觀解釋我們知道，物體是否帶電與物體包含的正負電荷數(shù)有關(guān)。而自然界中，不同種類的物質(zhì)，原子核對核外電子的約束能力不同，物體得失電子的能力是不同的。得失電子能力強的，容易帶上正電荷或者負電荷，這就是物體帶電的難易程度不同的原因。環(huán)節(jié)三【師】使物體帶電的過程，通常稱為“起電”，下面我們來看幾種常見的起電方式1、摩擦起電摩擦起電是最常見的起電方式。剛才視頻里的玻璃棒和橡膠棒就是通過摩擦起電。干燥的秋冬季，穿脫衣服和梳頭發(fā)的時候，都能觀察到摩擦起電的現(xiàn)象。兩個相互摩擦的物體，為什么會帶電？我們可以從微觀角度來解釋：由于原子內(nèi)部原子核的結(jié)構(gòu)一般是很穩(wěn)定的，通常離原子核較遠的電子受到的束縛較弱，容易受到外界的作用而脫離原子。當兩種物質(zhì)組成的物體互相摩擦時，一些受束縛較弱的電子會轉(zhuǎn)移到另一個物體上。于是，原來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?！編煛肯旅?，我們先來看個視頻：同學們，你們能解釋實驗中的現(xiàn)象嗎？【生】觀看視頻，思考【師】好，這個實驗中的現(xiàn)象不難解釋，相信同學們已經(jīng)有了答案。橡膠棒與毛皮摩擦后帶負電，吸引了懸掛起來的小球，小球接觸橡膠棒后帶上與橡膠棒同樣的負電，它們相互排斥開來。在這個實驗現(xiàn)象中，小球就是通過與橡膠棒接觸而帶電的。我們在初中學習過用驗電器來檢驗物體帶電的種類，原理也是接觸帶電；來看視頻?！旧坑^看視頻，思考【師】用帶電的橡膠棒接觸驗電器的金屬小球，整個金屬小球和金屬桿以及金屬箔片都帶上了與橡膠棒同種的電荷，金屬箔片因帶同種電荷而張開。我們也可以嘗試著從微觀角度解釋接觸帶電的原因：帶電的物體與不帶電的物體接觸，就會有電子的轉(zhuǎn)移。比如帶負電的物體A與另一個不帶電的物體B接觸，A中可以移動的電子由于接觸轉(zhuǎn)移到B物體，從而使B物體中電子數(shù)目比正電荷數(shù)目多，B就帶上與A物體一樣的負電。 【師】下面我們來看這個帶電方式屬于哪種？取一對用絕緣柱支持的導(dǎo)體左右擺放，使它們彼此接觸。起初它們不帶電，貼在下部的兩片金屬箔是閉合的?，F(xiàn)在用摩擦后的橡膠棒靠近其中一端，同學們請觀察：會有什么現(xiàn)象發(fā)生？金屬箔有什么變化?【生】觀看視頻，思考【師】我們看到，橡膠棒靠近其中一端時，導(dǎo)體兩端的金屬箔片張開，表示此時導(dǎo)體兩端分別帶上了電荷。要解釋這種現(xiàn)象先要了解金屬的微觀結(jié)構(gòu)【師】不同物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)不同，由于原子或分子間的相互作用，原子中電子的多少和運動狀況也不相同。關(guān)于金屬中原子核、電子所處的狀態(tài)及其運動，這里的情景是一種簡化描述，但它可以有效地解釋與金屬導(dǎo)電有關(guān)的現(xiàn)象，所以也是一個物理模型。例如，金屬中原子的外層電子往往會脫離原子核的束縛而在金屬中自由運動，這種電子叫作自由電子。失去自由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，每個正離子都在自己的平衡位置附近振動而不移動，只有自由電子穿梭其中，這就使金屬成為導(dǎo)體。像金屬導(dǎo)體一樣，只要物質(zhì)中有可以自由移動的電荷，物質(zhì)就能導(dǎo)電，比如電解質(zhì)溶液等，他們都叫導(dǎo)體；絕緣體中幾乎不存在能自由移動的電荷，像前面提到的玻璃棒、橡膠棒，他們只能帶電，不能導(dǎo)電?！編煛吭趧偛诺膶嶒炛泻唵畏治觯寒斘覀冇脦ж撾姷南鹉z棒，去靠近金屬導(dǎo)體的左端時，導(dǎo)體中自由電子在橡膠棒的負電荷排斥下會向遠離橡膠棒的一端移動，也就是導(dǎo)體的右端移動，從而使靠近橡膠棒左端一端由于缺少自由電子而帶正電荷，遠離橡膠棒的右端帶負電荷。這就是我們看到導(dǎo)體兩端的金屬箔片都張開的的原因像這樣，一個帶電體靠近導(dǎo)體時，由于電荷間相互吸引或排斥作用，導(dǎo)體中的自由電荷便會趨向或遠離帶電體，使導(dǎo)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。這種現(xiàn)象叫作靜電感應(yīng)?！編煛课覀冊倏匆槐閷嶒灐旧坑^察實驗【師】像這樣，通過靜電感應(yīng)，使物體帶電的方式，叫感應(yīng)起電，這種起電方式，帶電的橡膠棒并沒有與導(dǎo)體發(fā)生接觸，而是“隔空”使得導(dǎo)體帶電，這是感應(yīng)起電的特點。不帶電的導(dǎo)體，感應(yīng)起電后還有哪些特點？在實驗中，同學們還觀察到，如果移走橡膠棒，金屬箔片就閉合，導(dǎo)體回到了不帶電的狀態(tài)我們可以用導(dǎo)體的微觀結(jié)構(gòu)特點來解釋可以想象，移走橡膠棒后，導(dǎo)體上可以移動的自由電子又會回來與另一端的正電荷發(fā)生中和現(xiàn)象，導(dǎo)體兩端又回到不帶電的狀態(tài)，靜電感應(yīng)現(xiàn)象就消失了。【師】想一想：如果先將左右導(dǎo)體分開，再拿走橡膠棒，金屬箔會發(fā)生什么現(xiàn)象？【生】想一想，思考【師】我們可以試一試，來看實驗，同學們，你觀察到的現(xiàn)象跟你預(yù)期的是否一樣？由于切斷了左右導(dǎo)體電荷中和的通路，在拿走橡膠棒后，左右導(dǎo)體下的金屬箔片依然張開，表示左右導(dǎo)體依然帶電?！編煛课覀冊龠M一步想一想：導(dǎo)體兩端帶電應(yīng)該有什么關(guān)系？【生】想一想，思考【師】有的同學想到了：導(dǎo)體原來不帶電，自由電子重新分布后，一端失電子，一端得電子，左右應(yīng)該感應(yīng)出等量異種電荷。你同意她的想法么？為了驗證這個想法，我們可以再讓剛才分開的左右導(dǎo)體接觸，看看會有什么結(jié)果？繼續(xù)觀察實驗，【生】觀察實驗【師】好，我們看到，金屬箔片都閉合了，導(dǎo)體又回到了不帶電的狀態(tài)。這說明左右導(dǎo)體確實帶有等量異種電荷。環(huán)節(jié)四【師】前面我們談到三種起電方式，并且從微觀的角度解釋了物體帶電的原因。同學們可能注意到了，摩擦起電和接觸帶電，從微觀上看就是電子在兩個相互接觸的物體之間轉(zhuǎn)移；而感應(yīng)起電，是自由電子在導(dǎo)體上的重新分布，也就是說，三種起電方式本質(zhì)上都沒有創(chuàng)造電荷，只是電荷的分布發(fā)生的變化，在研究電現(xiàn)象的過程中，人們也堅持著追尋守恒量的方法，揭示出隱藏在物理現(xiàn)象背后的客觀規(guī)律。大量實驗事實表明，電荷既不會創(chuàng)生，也不會消滅，它只能從一個物體轉(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)論叫作電荷守恒定律近代物理實驗發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，帶電粒子可以產(chǎn)生或湮沒。例如，一個高能光子在一定條件下可以產(chǎn)生一個正電子和一個負電子;一對正、負電子可以同時湮沒，轉(zhuǎn)化為一對光子。不過在這些情況下，帶電粒子總是成對產(chǎn)生或湮沒的，兩個粒子帶電數(shù)量相等但電性相反，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：一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)，電荷的代數(shù)和保持不變。電荷守恒定律是物理學中守恒思想的又一具體體現(xiàn)，是自然界重要的基本規(guī)律之一。環(huán)節(jié)五【師】現(xiàn)在我們給大家介紹這樣一個儀器：大家看，我們在大家熟悉的驗電器的基礎(chǔ)上，做兩個改動：一，是把驗電器里的金屬箔片換成了指針，并且在背后的玻璃上標上刻度；二是用金屬制成外殼，這樣，我們就得到了一個心得儀器，叫靜電計，靜電計也可以檢驗物體是否帶電帶電，看實驗【生】觀察實驗【師】我們看到，隨著玻璃棒跟金屬小球的一次次接觸，靜電計指針的偏角越來越大；說明了靜電計中間的金屬小球部分帶電越來越多，靜電計不僅能檢驗物體是否帶電，還能大致，定性地告訴我們物體帶電的多少那么，如何定量的量度物體所帶的電量呢？【師】這就需要定義物理量來量度電荷的多少。我們定義物體帶電的多少為電荷量，它的單位是庫侖，簡稱庫。在1881年第1屆國際電學大會上，科學家們已經(jīng)用我們熟悉的電流的單位安培，和時間單位秒，定義了電荷量的單庫侖的大小。即：1A恒定電流在1s時間間隔內(nèi)所傳送的電荷量為1C。正電荷的電荷量為正值，負電荷的電荷量為負值?！編煛慷谇懊娴膶嶒炛?，我們知道無論是電荷的轉(zhuǎn)移還是重新分布，都是以電子的電荷量為單位進行的，迄今為止，實驗發(fā)現(xiàn)的最小電荷量就是電子所帶的電荷量。前面提到的質(zhì)子、正電子所帶的電荷量也是與電子的電荷量絕對值相同，電性相反。人們把這個最小的電荷量叫作元電荷，用e表示。實驗還發(fā)現(xiàn)，所有帶電體的電荷量都是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。以電荷量的國際單位庫侖計算，這個元電荷所帶的電荷量是多少呢？元電荷e的數(shù)值，最早是由美國物理學家密立根測得的，他因此獲得諾貝爾物理學獎。在密立根實驗之后，人們又做了許多測量?，F(xiàn)在公認的元電荷e的值為e=1.602176634×10-19C在計算中，可取e=1.60×10-19C對于帶電粒子，它的質(zhì)量和帶電量都是很重要的屬性，為方便后面的定量研究，人們定義出了帶電粒子的比荷，即帶電粒子電荷量q與帶電粒子的質(zhì)量m之比，例如，電子的比荷為。。。。。。這也是一個很重要的物理量【師】下面同學們可以思考一個問題，1庫侖的電荷量相當于多少個電子電量呢？【生】想一想【師】1庫侖電量，大約相當于大約6.25×1018次方個電子電量，這是一個很大的數(shù)量，大到什么程度？我們打個比方，如果把一個元電荷比作一滴水大約為零點幾毫升，那么一庫侖的電量就相當于整個三峽水庫的最大蓄水量。。庫侖是個很大的電荷量單位。【師】下面來小結(jié)一下：這節(jié)課，我們主要是在觀察電現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，用微觀的原子結(jié)構(gòu)模型和電荷守恒定律解釋了宏觀的摩擦起電、接觸帶電以及感應(yīng)起電這樣一些靜電現(xiàn)象，我們還知道了電荷的最小量為電子所帶電量，即元電荷，打下了之后定量研究電學現(xiàn)象的基礎(chǔ)，后面的研究將逐漸由定性轉(zhuǎn)為定量?！編煛吭谶@節(jié)課的最后，老師在做兩個有趣的小實驗，請同學們課后試著用今天所學的知識，來思考解釋一下【生】觀察實驗現(xiàn)象【師】希望這兩個小實驗?zāi)軌蛞l(fā)同學們的興趣，帶著對電現(xiàn)象好奇和思考繼續(xù)后面的學習。同學們再見！合格考達標練1.在把一個帶電棒移近并接觸一個帶正電的驗電器的過程中,金屬箔片先閉合又張開,說明棒上帶的是()A.正電荷B.負電荷C.可以是正電荷,也可以是負電荷D.帶電棒上先帶正電荷,后帶負電荷答案B解析金屬箔片先閉合后張開,說明金屬箔片所帶正電荷先被中和,而帶電棒電荷量較大,中和后還有多余的負電荷,后來金屬箔片帶上負電荷,所以又會張開,由此判斷,帶電棒帶負電。2.把一個帶正電的金屬球A跟不帶電的同樣的金屬球B相碰,之后兩球帶等量的正電荷,這是因為()A.A球的正電荷移到B球上B.B球的負電荷移到A球上C.A球的負電荷移到B球上D.B球的正電荷移到A球上答案B解析金屬球中能夠自由移動的電荷是自由電子,則B球上的自由電子受A球上所帶正電荷的吸引而轉(zhuǎn)移到A球上,B球因缺少電子而帶上了正電荷。3.由不同材料制成的物體A和B,原本都不顯電性,現(xiàn)將A和B互相摩擦,結(jié)果A帶上了正電,則()A.電子由A轉(zhuǎn)移到了BB.電子由B轉(zhuǎn)移到了AC.A所帶的電荷量大于B所帶的電荷量D.A所帶的電荷量小于B所帶的電荷量答案A解析A和B互相摩擦后,A帶正電,說明A失去了電子,即電子由A轉(zhuǎn)移到了B上,選項A正確,B錯誤;根據(jù)電荷守恒定律,A和B所帶電荷量相等,選項C、D錯誤。4.有甲、乙、丙三個輕質(zhì)導(dǎo)體小球,將它們兩兩靠近,它們都相互吸引,如圖所示,下列說法正確的是()A.三個小球都帶電 B.只有一個小球帶電C.有兩個小球帶同種電荷 D.有兩個小球帶異種電荷答案D解析若兩小球相互吸引,則兩小球帶異種電荷,或者一小球帶電,另一小球不帶電。由題中圖示情況知,三球中有一球帶正電,一球帶負電,一球不帶電,選項D正確。5.絕緣細線上端固定,下端懸掛一輕質(zhì)小球a,a的表面鍍有鋁膜,在a的近旁有一金屬球b,開始時a、b不帶電,如圖所示,現(xiàn)使b球帶電,則()A.a、b之間不發(fā)生相互作用B.b將吸引a,吸在一起不分開C.b立即把a排斥開D.b先吸引a,接觸后又把a排斥開答案D解析b球帶電就能吸引輕質(zhì)小球a,接觸后電荷量重新分配,那么a、b球帶同種電荷,然后就要相互排斥。題中說“近旁”表示能吸引并能接觸,D正確。6.M和N都是不帶電的物體,它們互相摩擦后M帶正電荷1.6×10-10C,下列判斷中正確的是()A.在摩擦前M和N的內(nèi)部沒有任何電荷B.摩擦的過程中電子從N轉(zhuǎn)移到了MC.N在摩擦后一定帶負電荷1.6×10-10CD.M在摩擦過程中失去了1.6×10-10個電子答案C解析由電荷守恒定律知,M帶正電是因為電子轉(zhuǎn)移到N上了,所以N帶等量負電荷。7.如圖所示,將玻璃板兩邊墊起,下面撒一些紙屑,再用干燥的紙團摩擦玻璃板的上表面,你就會看到下面的紙屑被吸起。你知道這是為什么嗎?答案見解析解析紙團跟玻璃的摩擦會使玻璃板帶上靜電,帶電體會吸引輕小的物體,所以紙屑會被吸起。等級考提升練8.如圖所示,左邊是一個原先不帶電的導(dǎo)體,右邊C是后來靠近導(dǎo)體的帶正電金屬球,若用絕緣工具沿圖示某條虛線將導(dǎo)體切開,把導(dǎo)體分為A、B兩部分,這兩部分所帶電荷量的數(shù)值分別為QA、QB,則下列結(jié)論正確的是()A.沿虛線d切開,A帶負電,B帶正電,且QB>QAB.只有沿虛線b切開,才會A帶正電,B帶負電,且QB=QAC.沿虛線a切開,A帶正電,B帶負電,且QB>QAD.沿任一虛線切開,均有QB=QA答案D解析導(dǎo)體原來不帶電,在金屬球C的電荷的作用下,導(dǎo)體中的自由電子向B部分移動,使B部分有了多余的電子而帶負電;A部分少了電子而帶正電。A部分轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目和B部分多余的電子數(shù)目是相同的,因此無論沿哪一條虛線切開,兩部分的電荷量總是相等的。9.(2021北京豐臺期中)如圖所示,一對帶絕緣支柱的導(dǎo)體M、N彼此接觸,且均不帶電,貼在兩端下部的兩金屬箔均是閉合的。當把帶正電荷的物體P移近導(dǎo)體M時,下列說法正確的是()A.M下部的金屬箔張開,N下部的金屬箔閉合B.M下部的金屬箔閉合,N下部的金屬箔張開C.M左端感應(yīng)出正電荷,N右端感應(yīng)出負電荷D.若先用絕緣工具把M、N分開,再移去P,則M帶負電荷,N帶正電荷答案D解析一個帶電的物體與不帶電的導(dǎo)體相互靠近時,由于電荷間的相互作用,導(dǎo)體內(nèi)部的電荷重新分布,根據(jù)