王伐云

[摘要]物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué),本文中,筆者針對(duì)如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電學(xué)的熱情,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,以靜電學(xué)例題進(jìn)行探討。

[關(guān)鍵詞]物理教學(xué) 靜電學(xué) 例題

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué),筆者就如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電學(xué)的熱情,培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣,以靜電學(xué)例題進(jìn)行探討。

例1.用毛皮跟硬橡膠棒摩擦,硬橡膠棒就帶上了負(fù)電。一位同學(xué)由此得出結(jié)論:“電荷是可以創(chuàng)生的”。對(duì)嗎?為什么?

分析與解答:“電荷可以創(chuàng)生”的說法是錯(cuò)誤的。摩擦起電的機(jī)理是:當(dāng)毛皮摩擦硬橡膠棒時(shí),外力做功,物體內(nèi)能增大,因此,毛皮上的一些電子轉(zhuǎn)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(chuàng)生”,而只是被“顯露”出來罷了。

例2.以下關(guān)于靜電現(xiàn)象的說法中正確的是:()

A、穿著化纖服的人在晚上脫衣服時(shí),常會(huì)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(xiàn)象;

B、摩擦起電產(chǎn)生的電壓總是很低的,因此,不會(huì)對(duì)人造成傷害;C、脫化纖服裝時(shí),由于摩擦起電產(chǎn)生的電壓可能高達(dá)幾千伏;D、脫化纖服裝時(shí),由于摩擦起電產(chǎn)生的靜電能量很微小,通常不會(huì)對(duì)人造成傷害。

分析與解答:由于摩擦使物體帶電時(shí)產(chǎn)生的靜電壓有時(shí)是很高的,常常可達(dá)數(shù)千伏以上,夏季的雨天,高空的云團(tuán)之間由于靜電現(xiàn)象帶有異種電荷時(shí),電壓可高達(dá)數(shù)十萬伏,同時(shí)能量巨大能對(duì)人畜及建筑物造成很大的傷害或破壞,但平時(shí)發(fā)生在我們身邊的摩擦起電現(xiàn)象,產(chǎn)生的靜電能量是很微小的。例如脫化纖服裝時(shí)的靜電壓可能高達(dá)數(shù)千伏,但靜電能量?jī)H有幾毫焦耳,這些靜電雖能對(duì)人產(chǎn)生瞬間的沖擊性點(diǎn)擊,但絕不會(huì)使人受到傷害。因?yàn)殪o電對(duì)人體的危害,不僅與電壓有關(guān),還與放電過程中釋放的能量有關(guān)。

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(biāo)語:“嚴(yán)禁用塑料桶裝運(yùn)汽油”,請(qǐng)你分析其中的原因。

分析與解答:塑料的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定,用塑料容器可裝酸堿等物質(zhì),當(dāng)用塑料桶裝運(yùn)汽油時(shí),由于在運(yùn)輸過程中汽油蕩動(dòng)時(shí)不斷與桶壁摩擦,而使桶壁帶靜電;又因?yàn)樗芰鲜墙^緣物質(zhì),桶壁所帶電荷不被傳導(dǎo),則桶上的電荷越積越多。當(dāng)桶上的電荷積累到一定的程度,就會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象,那么放電產(chǎn)生的火花就會(huì)引燃汽油,造成火災(zāi)或燒傷事故。所以,標(biāo)語提醒告誡人們不要用塑料桶裝運(yùn)汽油,以免發(fā)生意外事故。

例4.有趣的“怒發(fā)沖冠”是怎樣形成的。

分析解答:成語“怒發(fā)沖冠”是形容人在盛怒之下,頭發(fā)竟會(huì)把帽子頂起來,這當(dāng)然是一種夸張?，F(xiàn)實(shí)中有時(shí)人的頭發(fā)能夠豎起來,這當(dāng)然是一種夸張?，F(xiàn)實(shí)中有時(shí)人的頭發(fā)能夠豎起來,曾在高山地區(qū)的野外工作者可能有過這樣的經(jīng)歷,當(dāng)帶電云塊飄過頭頂時(shí),他們的頭發(fā)會(huì)豎起來,臉上涼颼颼的。這不是人自身在發(fā)怒,而是帶電云塊飄過時(shí)產(chǎn)生的靜電現(xiàn)象。比如云塊帶負(fù)電,會(huì)對(duì)附近地面及人體中的自由電子產(chǎn)生排斥,使得云塊附近的底面及人體帶正電,離云塊較遠(yuǎn)的地方帶負(fù)電,由于人頭發(fā)的質(zhì)量很小,這時(shí)帶正電,它將受云塊負(fù)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(cè)(選修)內(nèi)封圖七是一幅女人帶靜電的照片:她的頭發(fā)成發(fā)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(duì)服務(wù)員抱怨說:“有好幾次在飯店走道內(nèi)與人握手或按電梯開關(guān)時(shí),感到渾身一振,手臂發(fā)麻,一定是飯店內(nèi)有什么地方漏電”。服務(wù)員說:“請(qǐng)放心,本店經(jīng)過嚴(yán)格檢查,沒有漏電現(xiàn)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(yùn)動(dòng)而相互摩擦產(chǎn)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(dāng)手與別人的手或別的物體(包括開關(guān)等)靠近到接觸時(shí),會(huì)有放電現(xiàn)象發(fā)生,人就有了局部觸電感覺。因?yàn)殡姾?電壓)有限,不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn);如果經(jīng)常洗手洗臉、或使室內(nèi)空氣保持一定濕度可消除這種現(xiàn)象。

例6.當(dāng)帶電體接近(沒接觸)驗(yàn)電器的金屬球時(shí),驗(yàn)電器的兩金屬箔片就張開了,移走帶電體后,驗(yàn)電器的兩金屬箔片又閉合,試解釋這種現(xiàn)象。

分析與解答:當(dāng)帶電體移近驗(yàn)電器的金屬球,它們雖不接觸,但帶電體上的電荷對(duì)金屬球、桿及金屬箔片中的自由電子發(fā)生(靜電)力的作用而迫使其移動(dòng)。如果帶電體帶正電(或負(fù)電荷)則自由電子就受到正電荷(或負(fù)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(fù)電),此時(shí),兩金屬箔片帶的同種電荷相互排斥而張開。

當(dāng)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(fù)成不帶電狀態(tài),所以驗(yàn)電器的金屬箔片又閉合。

例7.某同學(xué)按照老師的介紹做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn),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(dǎo)線與帶電的驗(yàn)電器相連(見圖1)開亮燈時(shí),下面可能出現(xiàn)的現(xiàn)象是:

A、原來帶正電的驗(yàn)電器金屬箔片會(huì)逐漸合攏;

B、原來帶負(fù)電的驗(yàn)電器金屬箔片會(huì)更加張開;

C、原來帶負(fù)電的驗(yàn)電器金屬箔片會(huì)逐漸合攏;

D、原來帶負(fù)電的驗(yàn)電器金屬箔片會(huì)更加張開。

分析與解答:開亮燈前,帶電驗(yàn)電器與電燈泡上的圓形錫箔是連接的,錫箔與驗(yàn)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(dá)燈泡頂壁的電子會(huì)與錫箔上的電荷產(chǎn)生相互作用,如果錫箔原來帶正電,則燈泡內(nèi)壁的熱電子將繼續(xù)排斥錫箔上的電子,使部分自由電子通過導(dǎo)線、金屬球與驗(yàn)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(fù)電,則在熱電子的斥力作用下,部分電子將沿導(dǎo)線、金屬球到箔片處,使箔片上的負(fù)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(yùn)輸車為什么要有拖地的鏈條?

分析與解答:當(dāng)運(yùn)油車在路上行駛時(shí),輪胎與路面互相摩擦而使車輪帶負(fù)電,由于靜電感應(yīng),靠近車輪的車身(金屬)近處帶正電、離車輪遠(yuǎn)處帶負(fù)電。這樣局部正、負(fù)電荷積累過多而產(chǎn)生火花放電,容易導(dǎo)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(chǎn)生火花。不過這種辦法不是絕對(duì)可靠,現(xiàn)在采用了更先進(jìn)的方法。

例9.三個(gè)絕緣體的導(dǎo)體,一個(gè)帶正電,兩個(gè)不帶電。試分別設(shè)計(jì)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(fù)電;

⑶使兩個(gè)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(zhuǎn)移到帶正電的物體上去,因缺少電子而帶正電。

⑵用感應(yīng)起電的方法可以使原來不帶電的物體帶負(fù)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(xiàn)正、負(fù)感應(yīng)電荷,然后用手觸摸一下感應(yīng)帶電體(或用導(dǎo)線將感應(yīng)體與地接觸一下),這樣大地的負(fù)電荷經(jīng)人體轉(zhuǎn)移到感應(yīng)帶電體與其正電荷發(fā)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(fù)電荷。

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

例10.根據(jù)靜電學(xué)知識(shí),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(fù)電,電壓可達(dá)10⁸(1億)伏以上。當(dāng)云塊之間的距離接近到一定程度時(shí),空氣中少量的自由電荷便會(huì)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(chǎn)生新的正、負(fù)電荷,并發(fā)生連鎖反應(yīng),形成很大電流(約2×10⁴安培以上),造成云塊間的火花放電,發(fā)出強(qiáng)烈的光,劃破天空,這就是“閃電”;同時(shí),物體由于放電溫度迅速上升,促使空氣體積急劇膨脹,發(fā)生出震耳的霹靂聲,這就是雷鳴。如果帶電云團(tuán)離地面很近,由于靜電感應(yīng)離云團(tuán)最近的地面會(huì)產(chǎn)生異種電荷,也會(huì)在云地間出現(xiàn)閃電現(xiàn)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(shí)間一般只有幾十微秒,由于電壓很高,電流很大,會(huì)在放電通道上產(chǎn)生很高的溫度,同時(shí)還有電荷間巨大的排斥力,因此,具有較大的破壞力。

當(dāng)帶電的云層接近地面時(shí),由于靜電感應(yīng),地面上的物體出現(xiàn)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(yīng)出物的電荷積累到一定程度,帶電云層和這些物體之間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的放電,避雷針是一個(gè)金屬在尖端導(dǎo)體,安裝在建筑物的頂端,用粗導(dǎo)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(dá)到防止雷擊的目的。

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

A、印染廠的車間內(nèi)空氣保持適當(dāng)?shù)臐穸?

B、以煤為燃料的熱力站使用的靜電除塵設(shè)備;

C、靜電噴漆設(shè)備;

D、靜電復(fù)印設(shè)備。

分析與解答:由于摩擦產(chǎn)生的靜電,在生活、生產(chǎn)中存在有害的一面,對(duì)此我們應(yīng)注意防止,例如印染紡織品,尤其是印染化纖產(chǎn)品時(shí),如果被印染的紡織品上帶有靜電,很容易吸引空氣中的塵?；蚱渌鼛в蓄伾奈⒘?這將會(huì)使印染質(zhì)量受影響。為此,在印染廠中要注意防止靜電的產(chǎn)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(dāng)?shù)臐穸取？諝庵袧穸仍龃蟮揭欢ǔ潭?由摩擦產(chǎn)生的靜電荷可以及時(shí)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(xiàn)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(fù)連個(gè)電極之間,則帶正電荷的微粒向負(fù)極運(yùn)動(dòng),帶負(fù)電荷的微粒向正極運(yùn)動(dòng),利用帶電體間的作用和運(yùn)動(dòng),可以除去空氣中的塵埃。因此,首先設(shè)法使空氣中的塵埃帶電,再使空氣從兩個(gè)電極之間通過,在靜電力作用下塵埃運(yùn)動(dòng)到電極并被收集起來,便達(dá)到空氣除塵效果。根據(jù)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(shù)還可以用于農(nóng)作物種子的分選,用于攝影、復(fù)印等方面。

由此可知,本題的正確答案應(yīng)選B、C、D。