物理教学中静电学例题选讲

王伐云

[摘要]物理学是一门以实验为基础的自然科学,本文中,笔者针对如何激发学生学习电学的热情,培养学生的学习兴趣,以静电学例题进行探讨。

[关键词]物理教学 静电学 例题

物理学是一门以实验为基础的自然科学,笔者就如何激发学生学习电学的热情,培养学习兴趣,以静电学例题进行探讨。

例1.用毛皮跟硬橡胶棒摩擦,硬橡胶棒就带上了负电。一位同学由此得出结论:“电荷是可以创生的”。对吗?为什么?

分析与解答:“电荷可以创生”的说法是错误的。摩擦起电的机理是:当毛皮摩擦硬橡胶棒时,外力做功,物体内能增大,因此,毛皮上的一些电子转移到硬橡胶棒上,所以,硬橡胶棒有了多余的电子而带上等量的正电,由此可知,电荷并非有“创生”,而只是被“显露”出来罢了。

例2.以下关于静电现象的说法中正确的是:()

A、穿着化纤服的人在晚上脱衣服时,常会看到闪光并伴有轻微的“噼啦”声,这是由于摩擦起电所造成的现象;

B、摩擦起电产生的电压总是很低的,因此,不会对人造成伤害;C、脱化纤服装时,由于摩擦起电产生的电压可能高达几千伏;D、脱化纤服装时,由于摩擦起电产生的静电能量很微小,通常不会对人造成伤害。

分析与解答:由于摩擦使物体带电时产生的静电压有时是很高的,常常可达数千伏以上,夏季的雨天,高空的云团之间由于静电现象带有异种电荷时,电压可高达数十万伏,同时能量巨大能对人畜及建筑物造成很大的伤害或破坏,但平时发生在我们身边的摩擦起电现象,产生的静电能量是很微小的。例如脱化纤服装时的静电压可能高达数千伏,但静电能量仅有几毫焦耳,这些静电虽能对人产生瞬间的冲击性点击,但绝不会使人受到伤害。因为静电对人体的危害,不仅与电压有关,还与放电过程中释放的能量有关。

由上述分析可知,本题正确说法是A、C、D。

例3.在加油站可看到一幅醒目的标语:“严禁用塑料桶装运汽油”,请你分析其中的原因。

分析与解答:塑料的化学性质很稳定,用塑料容器可装酸碱等物质,当用塑料桶装运汽油时,由于在运输过程中汽油荡动时不断与桶壁摩擦,而使桶壁带静电;又因为塑料是绝缘物质,桶壁所带电荷不被传导,则桶上的电荷越积越多。当桶上的电荷积累到一定的程度,就会发生放电现象,那么放电产生的火花就会引燃汽油,造成火灾或烧伤事故。所以,标语提醒告诫人们不要用塑料桶装运汽油,以免发生意外事故。

例4.有趣的“怒发冲冠”是怎样形成的。

分析解答:成语“怒发冲冠”是形容人在盛怒之下,头发竟会把帽子顶起来,这当然是一种夸张。现实中有时人的头发能够竖起来,这当然是一种夸张。现实中有时人的头发能够竖起来,曾在高山地区的野外工作者可能有过这样的经历,当带电云块飘过头顶时,他们的头发会竖起来,脸上凉飕飕的。这不是人自身在发怒,而是带电云块飘过时产生的静电现象。比如云块带负电,会对附近地面及人体中的自由电子产生排斥,使得云块附近的底面及人体带正电,离云块较远的地方带负电,由于人头发的质量很小,这时带正电,它将受云块负电荷的吸引和自身正电荷的排斥而倒立起来。高中《物理》第三册(选修)内封图七是一幅女人带静电的照片:她的头发成发散形向四周竖立起来,仿佛像一只小刺猬。

例5.一位住在北京饭店的旅客对服务员抱怨说:“有好几次在饭店走道内与人握手或按电梯开关时,感到浑身一振,手臂发麻,一定是饭店内有什么地方漏电”。服务员说:“请放心,本店经过严格检查,没有漏电现象。你能解释旅客遇到的情况吗?”

分析与解答:北京的气候比较干燥,人体与衣服(尤其是化纤类植物)由于运动而相互摩擦产生的电荷,且人体由于皮鞋、地毯等与大地绝缘,电荷在人体上积累逐渐增多,当手与别人的手或别的物体(包括开关等)靠近到接触时,会有放电现象发生,人就有了局部触电感觉。因为电荷(电压)有限,不会发生危险;如果经常洗手洗脸、或使室内空气保持一定湿度可消除这种现象。

例6.当带电体接近(没接触)验电器的金属球时,验电器的两金属箔片就张开了,移走带电体后,验电器的两金属箔片又闭合,试解释这种现象。

分析与解答:当带电体移近验电器的金属球,它们虽不接触,但带电体上的电荷对金属球、杆及金属箔片中的自由电子发生(静电)力的作用而迫使其移动。如果带电体带正电(或负电荷)则自由电子就受到正电荷(或负电荷)的吸引(或排斥)而移向金属球(或金属箔片),两金属箔片因缺少电子(或有多余电子)而带等量的正电(或负电),此时,两金属箔片带的同种电荷相互排斥而张开。

当移走带电体后,金属球和金属箔片上带的等量异种电荷相互吸引而中和,恢复成不带电状态,所以验电器的金属箔片又闭合。

例7.某同学按照老师的介绍做了一个有趣的实验,用香烟锡箔纸剪成圆形贴在普通白炽灯的顶上,用一根接触良好的导线与带电的验电器相连(见图1)开亮灯时,下面可能出现的现象是:

A、原来带正电的验电器金属箔片会逐渐合拢;

B、原来带负电的验电器金属箔片会更加张开;

C、原来带负电的验电器金属箔片会逐渐合拢;

D、原来带负电的验电器金属箔片会更加张开。

分析与解答:开亮灯前,带电验电器与电灯泡上的圆形锡箔是连接的,锡箔与验电器带同种电荷,电灯开亮后,灯丝急剧升温,向外辐射大量热电子,这些到达灯泡顶壁的电子会与锡箔上的电荷产生相互作用,如果锡箔原来带正电,则灯泡内壁的热电子将继续排斥锡箔上的电子,使部分自由电子通过导线、金属球与验电器箔片上的正电荷中和,两箔片张角减小直到合拢,因此,A正确。同理,如果箔片原来带负电,则在热电子的斥力作用下,部分电子将沿导线、金属球到箔片处,使箔片上的负电荷增多,排斥力更大,两箔片张得更开,因此,D正确。

例8.装有汽油的运输车为什么要有拖地的链条?

分析与解答:当运油车在路上行驶时,轮胎与路面互相摩擦而使车轮带负电,由于静电感应,靠近车轮的车身(金属)近处带正电、离车轮远处带负电。这样局部正、负电荷积累过多而产生火花放电,容易导致邮箱或油罐中汽油燃烧爆炸,如果在汽车地盘架装上链条拖在地上,使多余的电荷沿链条泄放入地,避免产生火花。不过这种办法不是绝对可靠,现在采用了更先进的方法。

例9.三个绝缘体的导体,一个带正电,两个不带电。试分别设计方案满足下列要求:

⑴使原来不带电的物体带正电;

⑵使原来不带电的物体带负电;

⑶使两个不带电的物体分别带等量的异种电荷。

分析与解答:⑴用接触起电的方法可以使原来不带电的物体带正电,如图2(a)所示,用带正电的物体接触不带电的物体,使原不带电的物体的部分电子转移到带正电的物体上去,因缺少电子而带正电。

⑵用感应起电的方法可以使原来不带电的物体带负电,如图2(b),先将带正电的物体移近不带电的物体,使不带电的物体两端出现正、负感应电荷,然后用手触摸一下感应带电体(或用导线将感应体与地接触一下),这样大地的负电荷经人体转移到感应带电体与其正电荷发生中和,再将原带正电的物体移走,就使原来不带电的物体带上负电荷。

⑶用感应起电的方法可使两个不带电的物体带上等量异种电荷,如图2(c)所示。先将两个不带电的物体接触在一起,然后将两个原不带电的物体分别带上等量的正、负感应电荷,再将它们分离,移走带电体后,就使两个不带电的导体各自带上了等量的异种电荷。

例10.根据静电学知识,解释电闪雷鸣是怎样形成的?

分析与解答:黑云压城,乌云滚滚,云块与云块之间由于摩擦等原因使云块有的带正电,有的带负电,电压可达10⁸(1亿)伏以上。当云块之间的距离接近到一定程度时,空气中少量的自由电荷便会在高压作用下以很大的速度撞击别的空气分子使其电离产生新的正、负电荷,并发生连锁反应,形成很大电流(约2×10⁴安培以上),造成云块间的火花放电,发出强烈的光,划破天空,这就是“闪电”;同时,物体由于放电温度迅速上升,促使空气体积急剧膨胀,发生出震耳的霹雳声,这就是雷鸣。如果带电云团离地面很近,由于静电感应离云团最近的地面会产生异种电荷,也会在云地间出现闪电现象,称为“落地雷”。落地雷容易击倒人、畜、击毁高层建筑等,破坏性很大。

例11.为什么高建筑物要装避雷针?

分析与解答:雷电的放电时间一般只有几十微秒,由于电压很高,电流很大,会在放电通道上产生很高的温度,同时还有电荷间巨大的排斥力,因此,具有较大的破坏力。

当带电的云层接近地面时,由于静电感应,地面上的物体出现的异种电荷,并且密集在突出的物体上,如大树、烟囱、铁塔、高层建筑物等。感应出物的电荷积累到一定程度,带电云层和这些物体之间会发生强烈的放电,避雷针是一个金属在尖端导体,安装在建筑物的顶端,用粗导线与埋在地下的金属板连接,以保持与大地接触良好(见图3),通过避雷针不断放电,避免电荷的大量积累,从而达到防止雷击的目的。

图3例12 静电现象广泛存在生活、生产中。下面所述的情况或装置中,属于利用静电现象的是()

A、印染厂的车间内空气保持适当的湿度;

B、以煤为燃料的热力站使用的静电除尘设备;

C、静电喷漆设备;

D、静电复印设备。

分析与解答:由于摩擦产生的静电,在生活、生产中存在有害的一面,对此我们应注意防止,例如印染纺织品,尤其是印染化纤产品时,如果被印染的纺织品上带有静电,很容易吸引空气中的尘埃或其它带有颜色的微粒,这将会使印染质量受影响。为此,在印染厂中要注意防止静电的产生或静电荷的积累,其中有效的方法是使印染车间的空气保持适当的湿度。空气中湿度增大到一定程度,由摩擦产生的静电荷可以及时被中和,无法大量积累。

另一方面,人们也在不断地利用静电现象。例如带电的物体间存在着相互作用,那么带电微粒处于正、负连个电极之间,则带正电荷的微粒向负极运动,带负电荷的微粒向正极运动,利用带电体间的作用和运动,可以除去空气中的尘埃。因此,首先设法使空气中的尘埃带电,再使空气从两个电极之间通过,在静电力作用下尘埃运动到电极并被收集起来,便达到空气除尘效果。根据同样的原理,使油漆的微粒带电,将被喷涂的零件与电极相连接,就可以利用静电来喷漆。除此以外,静电技术还可以用于农作物种子的分选,用于摄影、复印等方面。

由此可知,本题的正确答案应选B、C、D。