靜電場結合專業特點的實例教學

頓中萬

引言：大學物理在長期的教學中一味的重視理論講解而忽略用案例分析的方式教學，學生在學習中很難體驗到學習物理的興趣，所以針對目前的大學物理教學改革，有必要根據專業特點用事例分析來講解，使物理這門課程具有實用性和可操作性。

關鍵詞：專業特點；實例教學；靜電場；教學改革

我們知道任何物質都是由原子組合而成，而原子的基本結構為質子、中子及電子。科學家們將質子定義為正電，中子不帶電，電子帶負電。在正常狀況下，一個原子的質子數與電子數量相同，正負電平衡，所以對外表現出不帶電的現象。但是由于外界作用如摩擦或以各種能量（如動能、位能、熱能、化學能等）的形式作用會使原子的正負電不平衡。在日常生活中所說的摩擦實質上就是一種不斷接觸與分離的過程。有些情況下不摩擦也能產生靜電，如感應靜電起電，熱電和壓電起電、亥姆霍茲層、噴射起電等。任何兩個不同材質的物體只要接觸后分離就能產生靜電，流動的空氣當然能產生靜電。為什么流動空氣會產生靜電呢？因為空氣也是由原子組合而成，所以可以這么說，在人們生活的任何時間、任何地點都有可能產生靜電，在介紹靜電產生的原理過程學生對這樣比較抽象缺乏實物佐證的理論表現出比較乏味的心理，所以在教學中我們需要結合這章內容與信息專業的學生進行實例分析，讓原本單調的知識顯得生動。我們可以通過以下幾個事例來分析。

一、靜電分離

靜電分離方法可用于粒狀混合物的靜電分離，例如，從礦石中除去石粒；從大米等糧食中清除雜物。靜電噴漆可方便地對龐然大物，例如火車車箱、集裝箱進行快速有效噴漆。此外，靜電植絨技術也得到了廣泛應用。

1.靜電除塵器

靜電分離方法的重要而廣泛的應用之一就是靜電除塵。它使灰塵污染嚴重的地區（例如水泥廠、礦石加工場以及燃煤發電廠）周圍的空氣凈化。

靜電除塵器的基本結構如下：豎直安置的金屬管中央，懸掛一根金屬細絲，金屬絲與管壁之間施加一個數值很大的負電壓，于是在管內空間中，建立起不均勻的電場分布。靠近金屬絲的地方，場強達到很高的數值，足以使空氣中性分子發生電擊穿，而形成大量的“自由”電子和正離子，其中“自由”電子被電場驅趕向管壁運動的過程中，吸附金屬管內氣體中的氧分子而形成負氧離子，負氧離子與正在沿金屬管上升的臟氣體相遇，臟氣體中所夾雜的微粒，因捕捉負氧離子而帶電，因而被電場推向管壁。如果有害的微粒是固態，那么它們被定期地從管壁上搖落下來，進入收集袋；如果有害的物質是液體， 則沿管壁流下來，進入收集罐。于是臟氣體被凈化后，經金屬管右上端的管口排出。氣體經一次凈化后還可再次凈化，以達到規定凈化標準。

二、靜電計

如圖2 （a）所示，在金屬球B的下端，裝一只可偏轉的指針P，以及顯示指針偏轉角度的弧形標尺，便組成一臺簡易靜電計。此外，為了消除外界電場對靜電計的干擾，靜電計的外殼S用金屬制成，并且在外殼上，還裝有玻璃窗，以便觀察指針讀數。靜電計的金屬指針P與外殼S可看作是一個電容很小的電容器C0，將待測電壓接在指針P與殼S之間，如圖 （b）所示，因總電容為C總=C0+C=C。于是，可認為接上靜電計后不影響原來電壓UBS，由于C0與C并聯，因而靜電計兩端電壓也是UBS，又因為靜電計指針的偏轉角度隨電量Q0而變，而Q0=CUBS，于是，指針偏轉角隨UBS而變。依據指針的偏轉角就可得知B與S之間的電壓。若靜電計指針接導體，外殼接地，則可由靜電計測導體電勢。此外，靜電計也可用來測量電量。為了提高靜電計測量的精度，可采用絕對靜電計或象限靜電計。

三、結論

在日常生活中，我們用梳子在理頭發的時候，常常會發現毛發在高壓靜電場力的作用下形成射線狀。我們在每天夜晚脫衣服的時候，也常常會發現一種閃光效應和劈了啪啦的閃光聲響。這就是我們常說的“電”現象。有很多種物體在運動中，都可生成兩邊的端點帶有正負電荷的電場效應，當電荷量聚集達到數萬伏的高壓時，它就會向四周的其它物體產生電荷放電，這就是物體的摩擦起電狀態。

靜電現象包括許多大自然例子，像塑膠袋與手之間的吸引、似乎是自發性的谷倉爆炸、在制造過程中電子元件的損毀、影印機的運作原理等等。當一個物體的表面接觸到其它表面時，電荷集結于這物體表面成為靜電。雖然電荷交換是因為兩個表面的接觸和分開而產生的，只有當其中一個表面的電阻很高時，電流變的很小，電荷交換的效應才會被注意到。因為，電荷會被入陷于那表面，在那里度過很長一段時間，足夠讓這效應被觀察到的一段時間。通過在上課過程中用實例分析，學生知道了和我們日常生活中的靜電現象的工作原理和機能，也明白了大學物理這門課程可以解釋我們生活中各種各樣的現象，擴大了學生的視野也讓這門課程開始深受學生的喜愛，對大學物理的教學起到和好的促進作用。

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