物理教學中靜電學例題選講

王伐云

[摘要]物理學是一門以實驗為基礎的自然科學,本文中,筆者針對如何激發學生學習電學的熱情,培養學生的學習興趣,以靜電學例題進行探討。

[關鍵詞]物理教學 靜電學 例題

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學,筆者就如何激發學生學習電學的熱情,培養學習興趣,以靜電學例題進行探討。

例1.用毛皮跟硬橡膠棒摩擦,硬橡膠棒就帶上了負電。一位同學由此得出結論:“電荷是可以創生的”。對嗎?為什么?

分析與解答:“電荷可以創生”的說法是錯誤的。摩擦起電的機理是:當毛皮摩擦硬橡膠棒時,外力做功,物體內能增大,因此,毛皮上的一些電子轉移到硬橡膠棒上,所以,硬橡膠棒有了多余的電子而帶上等量的正電,由此可知,電荷并非有“創生”,而只是被“顯露”出來罷了。

例2.以下關于靜電現象的說法中正確的是:()

A、穿著化纖服的人在晚上脫衣服時,常會看到閃光并伴有輕微的“噼啦”聲,這是由于摩擦起電所造成的現象;

B、摩擦起電產生的電壓總是很低的,因此,不會對人造成傷害;C、脫化纖服裝時,由于摩擦起電產生的電壓可能高達幾千伏;D、脫化纖服裝時,由于摩擦起電產生的靜電能量很微小,通常不會對人造成傷害。

分析與解答:由于摩擦使物體帶電時產生的靜電壓有時是很高的,常常可達數千伏以上,夏季的雨天,高空的云團之間由于靜電現象帶有異種電荷時,電壓可高達數十萬伏,同時能量巨大能對人畜及建筑物造成很大的傷害或破壞,但平時發生在我們身邊的摩擦起電現象,產生的靜電能量是很微小的。例如脫化纖服裝時的靜電壓可能高達數千伏,但靜電能量僅有幾毫焦耳,這些靜電雖能對人產生瞬間的沖擊性點擊,但絕不會使人受到傷害。因為靜電對人體的危害,不僅與電壓有關,還與放電過程中釋放的能量有關。

由上述分析可知,本題正確說法是A、C、D。

例3.在加油站可看到一幅醒目的標語:“嚴禁用塑料桶裝運汽油”,請你分析其中的原因。

分析與解答:塑料的化學性質很穩定,用塑料容器可裝酸堿等物質,當用塑料桶裝運汽油時,由于在運輸過程中汽油蕩動時不斷與桶壁摩擦,而使桶壁帶靜電;又因為塑料是絕緣物質,桶壁所帶電荷不被傳導,則桶上的電荷越積越多。當桶上的電荷積累到一定的程度,就會發生放電現象,那么放電產生的火花就會引燃汽油,造成火災或燒傷事故。所以,標語提醒告誡人們不要用塑料桶裝運汽油,以免發生意外事故。

例4.有趣的“怒發沖冠”是怎樣形成的。

分析解答:成語“怒發沖冠”是形容人在盛怒之下,頭發竟會把帽子頂起來,這當然是一種夸張。現實中有時人的頭發能夠豎起來,這當然是一種夸張。現實中有時人的頭發能夠豎起來,曾在高山地區的野外工作者可能有過這樣的經歷,當帶電云塊飄過頭頂時,他們的頭發會豎起來,臉上涼颼颼的。這不是人自身在發怒,而是帶電云塊飄過時產生的靜電現象。比如云塊帶負電,會對附近地面及人體中的自由電子產生排斥,使得云塊附近的底面及人體帶正電,離云塊較遠的地方帶負電,由于人頭發的質量很小,這時帶正電,它將受云塊負電荷的吸引和自身正電荷的排斥而倒立起來。高中《物理》第三冊(選修)內封圖七是一幅女人帶靜電的照片:她的頭發成發散形向四周豎立起來,仿佛像一只小刺猬。

例5.一位住在北京飯店的旅客對服務員抱怨說:“有好幾次在飯店走道內與人握手或按電梯開關時,感到渾身一振,手臂發麻,一定是飯店內有什么地方漏電”。服務員說:“請放心,本店經過嚴格檢查,沒有漏電現象。你能解釋旅客遇到的情況嗎?”

分析與解答:北京的氣候比較干燥,人體與衣服(尤其是化纖類植物)由于運動而相互摩擦產生的電荷,且人體由于皮鞋、地毯等與大地絕緣,電荷在人體上積累逐漸增多,當手與別人的手或別的物體(包括開關等)靠近到接觸時,會有放電現象發生,人就有了局部觸電感覺。因為電荷(電壓)有限,不會發生危險;如果經常洗手洗臉、或使室內空氣保持一定濕度可消除這種現象。

例6.當帶電體接近(沒接觸)驗電器的金屬球時,驗電器的兩金屬箔片就張開了,移走帶電體后,驗電器的兩金屬箔片又閉合,試解釋這種現象。

分析與解答:當帶電體移近驗電器的金屬球,它們雖不接觸,但帶電體上的電荷對金屬球、桿及金屬箔片中的自由電子發生(靜電)力的作用而迫使其移動。如果帶電體帶正電(或負電荷)則自由電子就受到正電荷(或負電荷)的吸引(或排斥)而移向金屬球(或金屬箔片),兩金屬箔片因缺少電子(或有多余電子)而帶等量的正電(或負電),此時,兩金屬箔片帶的同種電荷相互排斥而張開。

當移走帶電體后,金屬球和金屬箔片上帶的等量異種電荷相互吸引而中和,恢復成不帶電狀態,所以驗電器的金屬箔片又閉合。

例7.某同學按照老師的介紹做了一個有趣的實驗,用香煙錫箔紙剪成圓形貼在普通白熾燈的頂上,用一根接觸良好的導線與帶電的驗電器相連(見圖1)開亮燈時,下面可能出現的現象是:

A、原來帶正電的驗電器金屬箔片會逐漸合攏;

B、原來帶負電的驗電器金屬箔片會更加張開;

C、原來帶負電的驗電器金屬箔片會逐漸合攏;

D、原來帶負電的驗電器金屬箔片會更加張開。

分析與解答:開亮燈前,帶電驗電器與電燈泡上的圓形錫箔是連接的,錫箔與驗電器帶同種電荷,電燈開亮后,燈絲急劇升溫,向外輻射大量熱電子,這些到達燈泡頂壁的電子會與錫箔上的電荷產生相互作用,如果錫箔原來帶正電,則燈泡內壁的熱電子將繼續排斥錫箔上的電子,使部分自由電子通過導線、金屬球與驗電器箔片上的正電荷中和,兩箔片張角減小直到合攏,因此,A正確。同理,如果箔片原來帶負電,則在熱電子的斥力作用下,部分電子將沿導線、金屬球到箔片處,使箔片上的負電荷增多,排斥力更大,兩箔片張得更開,因此,D正確。

例8.裝有汽油的運輸車為什么要有拖地的鏈條?

分析與解答:當運油車在路上行駛時,輪胎與路面互相摩擦而使車輪帶負電,由于靜電感應,靠近車輪的車身(金屬)近處帶正電、離車輪遠處帶負電。這樣局部正、負電荷積累過多而產生火花放電,容易導致郵箱或油罐中汽油燃燒爆炸,如果在汽車地盤架裝上鏈條拖在地上,使多余的電荷沿鏈條泄放入地,避免產生火花。不過這種辦法不是絕對可靠,現在采用了更先進的方法。

例9.三個絕緣體的導體,一個帶正電,兩個不帶電。試分別設計方案滿足下列要求:

⑴使原來不帶電的物體帶正電;

⑵使原來不帶電的物體帶負電;

⑶使兩個不帶電的物體分別帶等量的異種電荷。

分析與解答:⑴用接觸起電的方法可以使原來不帶電的物體帶正電,如圖2(a)所示,用帶正電的物體接觸不帶電的物體,使原不帶電的物體的部分電子轉移到帶正電的物體上去,因缺少電子而帶正電。

⑵用感應起電的方法可以使原來不帶電的物體帶負電,如圖2(b),先將帶正電的物體移近不帶電的物體,使不帶電的物體兩端出現正、負感應電荷,然后用手觸摸一下感應帶電體(或用導線將感應體與地接觸一下),這樣大地的負電荷經人體轉移到感應帶電體與其正電荷發生中和,再將原帶正電的物體移走,就使原來不帶電的物體帶上負電荷。

⑶用感應起電的方法可使兩個不帶電的物體帶上等量異種電荷,如圖2(c)所示。先將兩個不帶電的物體接觸在一起,然后將兩個原不帶電的物體分別帶上等量的正、負感應電荷,再將它們分離,移走帶電體后,就使兩個不帶電的導體各自帶上了等量的異種電荷。

例10.根據靜電學知識,解釋電閃雷鳴是怎樣形成的?

分析與解答:黑云壓城,烏云滾滾,云塊與云塊之間由于摩擦等原因使云塊有的帶正電,有的帶負電,電壓可達10⁸(1億)伏以上。當云塊之間的距離接近到一定程度時,空氣中少量的自由電荷便會在高壓作用下以很大的速度撞擊別的空氣分子使其電離產生新的正、負電荷,并發生連鎖反應,形成很大電流(約2×10⁴安培以上),造成云塊間的火花放電,發出強烈的光,劃破天空,這就是“閃電”;同時,物體由于放電溫度迅速上升,促使空氣體積急劇膨脹,發生出震耳的霹靂聲,這就是雷鳴。如果帶電云團離地面很近,由于靜電感應離云團最近的地面會產生異種電荷,也會在云地間出現閃電現象,稱為“落地雷”。落地雷容易擊倒人、畜、擊毀高層建筑等,破壞性很大。

例11.為什么高建筑物要裝避雷針?

分析與解答:雷電的放電時間一般只有幾十微秒,由于電壓很高,電流很大,會在放電通道上產生很高的溫度,同時還有電荷間巨大的排斥力,因此,具有較大的破壞力。

當帶電的云層接近地面時,由于靜電感應,地面上的物體出現的異種電荷,并且密集在突出的物體上,如大樹、煙囪、鐵塔、高層建筑物等。感應出物的電荷積累到一定程度,帶電云層和這些物體之間會發生強烈的放電,避雷針是一個金屬在尖端導體,安裝在建筑物的頂端,用粗導線與埋在地下的金屬板連接,以保持與大地接觸良好(見圖3),通過避雷針不斷放電,避免電荷的大量積累,從而達到防止雷擊的目的。

圖3例12 靜電現象廣泛存在生活、生產中。下面所述的情況或裝置中,屬于利用靜電現象的是()

A、印染廠的車間內空氣保持適當的濕度;

B、以煤為燃料的熱力站使用的靜電除塵設備;

C、靜電噴漆設備;

D、靜電復印設備。

分析與解答:由于摩擦產生的靜電,在生活、生產中存在有害的一面,對此我們應注意防止,例如印染紡織品,尤其是印染化纖產品時,如果被印染的紡織品上帶有靜電,很容易吸引空氣中的塵埃或其它帶有顏色的微粒,這將會使印染質量受影響。為此,在印染廠中要注意防止靜電的產生或靜電荷的積累,其中有效的方法是使印染車間的空氣保持適當的濕度。空氣中濕度增大到一定程度,由摩擦產生的靜電荷可以及時被中和,無法大量積累。

另一方面,人們也在不斷地利用靜電現象。例如帶電的物體間存在著相互作用,那么帶電微粒處于正、負連個電極之間,則帶正電荷的微粒向負極運動,帶負電荷的微粒向正極運動,利用帶電體間的作用和運動,可以除去空氣中的塵埃。因此,首先設法使空氣中的塵埃帶電,再使空氣從兩個電極之間通過,在靜電力作用下塵埃運動到電極并被收集起來,便達到空氣除塵效果。根據同樣的原理,使油漆的微粒帶電,將被噴涂的零件與電極相連接,就可以利用靜電來噴漆。除此以外,靜電技術還可以用于農作物種子的分選,用于攝影、復印等方面。

由此可知,本題的正確答案應選B、C、D。