[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?