静电及其测量、电荷守恒

第十一章电场A静电及其测量、电荷守恒·1·第十一章A静电及其测量、电荷守恒进才中学张烨【教学目标】⑴了解产生和测量静电的方法。⑵知道物体带电的原因，能用原子结构说明电子的得失。⑶了解电荷量、基本电荷的概念。⑷能演示简单的静电实验，会使用验电器，知道密立根油滴实验。【课时】1课时【重点难点】重点：物体带电的原因、电荷量和基本电荷等概念。难点：静电实验中电荷难以积聚和保留的问题。【实验设备】感应起电机、范德格拉夫起电机、验电器、静电检验器。【教学过程】情景引入：雷电现象。特殊雷电——球形闪电。雅各布天梯实验装置说明。人类研究雷电的经历缩影：1752年富兰克林的“费城实验”。莱顿瓶实验发出的火花和爆裂声使他受到启发，认为这是“模拟的闪电”，在发光、光的颜色、弯弯曲曲的方向、运动的快慢、由金属传导、爆裂或爆炸声、存在于水和冰、通过物体使物体弯曲、毁灭动物、融化金属、使易燃物着火、有燃烧硫磺的气味等方面与闪电一致。富兰克林的实验揭开了雷电的奥秘，统一了“天电”和“地电”。1753年，消息传到俄国圣彼得堡，罗蒙诺索夫和李赫曼在进行大气实验时，李赫曼不幸触电为科学献出了生命。大家谈：除了“雷电”以外，还有哪些静电现象？1、静电现象——“静止电荷产生的现象。”静电的特点：1、异种吸引、同种相斥。2、高电压、低电流。2、常见的起电方法：1、摩擦；2、感应；3、接触摩擦起电用摩擦的方法使物体带电，或使物体带有电荷的过程。摩擦起电的原因物体间通过摩擦，得失电子解释摩擦起电。（课本P3点击）3、电荷守恒定律在任何物理过程中，各个物体的电荷可以改变，但参于这一物理过程的所有物体电荷的代数和是守恒的，也就是说：电荷既不能创造，也不能被消灭，它们只能从一个物第十一章电场A静电及其测量、电荷守恒·2·体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分。例如：若把参与作用的几个物体或粒子叫做系统，则当系统与外界无电荷交换时，系统的电荷代数和守恒。辩证唯物主义告诉我们，世界是物质的，物质世界是运动的。然而，时时刻刻充满变化的物质世界并不是没有规律可循，四大守恒定律即质量守恒定律、能量守恒定律、电荷守恒定律、动量守恒定律就明确地揭示了“变化中的不变”。四大守恒定律描述了物质世界在发展变化中的“量的规定性”。它们的发现，使得我们找到了打开理化大门的一把“公用钥匙”，也从一个维度架起了连接理化的桥梁。S.T.S.介绍：负电荷使人愉快4、产生静电的常用设备（1）感应起电机。（2）超高压电源。（3）范德格拉夫起电机。5、测量静电的常用仪器（1）验电器。（2）电荷量表。（3）静电电压表。6、电荷量物体所带电荷的多少。国际单位C。读作库仑，简称库。一般用微库μC。1μC＝10－6C思考：带电物体所带的电荷量是不是任意的？7、元电荷密立根（1923年获诺贝尔物理学奖）的油滴实验测定了元电荷的电荷量。实验结论：一般带电体所带电量总是等于一个最小电荷量的整数倍，这个最小电量叫做元电荷，用符号e表示。e＝1.60×10－19C一个电子电量：－1e一个质子电量：1e一般物体带电量：ne（n∈Z）静电的特点：电压高（达十多万伏），带电荷量较小。第十一章电场A静电及其测量、电荷守恒·3·【附录】富兰克林本杰明·富兰克林是美国著名的科学家和政治活动家。出生于波士顿的一个贫苦家庭里，只念了几年小学，便到一所印刷房去当学徒。渴求知识的愿望，使他选择了自学成才的道路。他充分利用印刷房和书店的联系，如饥似渴地阅读了大量书籍，为他从事物理学的研究打下了深厚的基础。他一方面参加了美国的独立战争并担任了许多社会公职，另一方面醉心于科学研究，他的研究成果汇集于《在美国费城进行的关于电的实验和观察》一书中，此书于1753年出版。富兰克林为祖国的解放事业和科学事业作出了自己的贡献，被美国政府和人民誉为“伟大的公民”。富兰克林对静电学的最重要贡献，是发现了电荷守恒定律。莱顿瓶发明后，他接到朋友寄来的一只莱顿瓶，并向他说明了使用方法，这引起了他的很大兴趣。于是，他利用莱顿瓶做了大量的静电方面的实验。他发现，两个带有不同性质电荷的带电体，相互接触后可以呈现中性。根据这种相消性和数学上的正、负数的概念，他把“玻璃电”称为正电，把“树脂电”称为负电，并进一步从电荷的相消性，推出如下结论：（1）正电和负电，在本质上不应有什么差异；（2）摩擦起电过程中，总是形成等量的异种电荷；（3）摩擦起电过程中，一方失去的电荷与另一方得到的电荷在数量上相等。于是，在上述推论的基础上，他总结出一个普遍的原理：电荷既不能创生也不能消灭，只不过是从某一个带电体转移到另外一个带电体，在电荷转移过程中，电荷的总量是不变的。这就是电荷守恒定律的最原始的表述方式。电荷守恒定律是物理学中一条比较普遍的守恒定律，富兰克林为电磁学理论建立了第一块颇为重要的基石。另外一项研究成果，是他对雷电成因的研究以及奉献给人类社会一只避雷针。据说1752年某一天，富兰克林正在做实验，他的夫人在旁边观看，偶不小心碰着了莱顿瓶，突然发生了闪（电）光和轰鸣声，夫人被击倒了，差一点发生了人命。但是，这件事却引起了他的联想，当时所发生的情景与天上的闪电雷鸣多么相似啊！于是，他又进行了几个实验，来研究天电与地电的相似性。他用绸子做了一个大风筝，风筝绳的下端拴了只铜钥匙，使它与莱顿瓶接触，终于把天电引了下来。经过实验证明，天电与地电有12点相同之外：（1）发光；（2）光的颜色相同；（3）光的路线是弯曲的；（4）时间都很短促；（5）皆能由金属传导；（6）都发出响声；（7）可在水中发生；（8）可使物体分裂；（9）能杀伤动物；（10）能熔化金属；（11）能引起燃烧；（12）都发出硫磺味。他不仅断定天电与地电性质相同，是同一种电，而且还认为都是因摩擦而产生的。从而提出了云层因相对运动而发生摩擦带电的假说。静电仪器的进展发生静电的方法：由人类认识有静电现象，直到20世纪初，直接产生静电的方法只有靠摩擦，开始是用一手握住琥珀棒，另一手拿着布来互相摩擦生电，到了17世纪就开始利用一些转动的绝缘球、圆筒、（最后发展为）圆盘等上附着的金属片和静止的刷子的摩擦生电，并带收集电的电极，且由电极传到贮电用的莱顿瓶（一种原始的电容器）。在图一中第十一章电场A静电及其测量、电荷守恒·4·图一（a）为早期（17世纪）的静电产生器转盘只有一个，只靠一个金属片和圆环之间之摩擦生电。（b）利用两个转盘，每一盘有两片金属片，在A处的软针摩擦生电及感应的电量在B处被收集。图上尚可看到两个莱顿瓶莱收集电量。（c）已具完成期的静电发生器。（d）为（c）之动作原理，在D1刷子处摩擦及感应生电的金属片，依箭头方向转移到C及D处被传导到莱顿瓶中。注意两个转盘的转向相反。（e）直到1930年代，由于离子加速器的需要才由VandeGraff发明了新的静电发生器。第十一章电场A静电及其测量、电荷守恒·5·VandeGraff注意到，导体带的电量都在它的表面上。因此如有一些电量运到金属的内部，它一定会跑到金属表面（如图二）。因此如果能继续不断地将电量用到非导电的方法运到绝缘好的金属球内部，这些电量马上由金属内部传到外面的金属表面，使金属球表面的电量继续增加，而金属球的内部不管是实心或是空心的都不会带电。所谓VandeGraff静电产生器，就是用绝缘的传动带由地（电位）载电输送到空心的导体内侧（参考图三）只要继续不断地将电量送到导体内侧，导体所带的电量可以继续不断的增加，直到导体表面的电量密度（相当于表面上的电场）增加到破坏周围介质的绝缘而放电为止。图二图三这种静电发生器可以产生很高的电压（5～7MeV），因此被当作离子加速器的直流第十一章电场A静电及其测量、电荷守恒·6·高电压源，由于它发电的方式较可靠，近年来也有示范实验用的小型的静电发生器，来代替摩擦生电式的静电发生器。17世纪中，除了静电发生器之发展以外，必须提出所谓莱顿瓶的发明。1745年一荷兰的僧侣，手持一玻璃药瓶，瓶中插入铁丝接到静电发生器，产生电以后，它用另一手摸铁丝，而受到很大的电击。如此发现了瓶子可以「装」很多电，1746年在荷兰莱顿（Leyden）的地方也做了同一实验，因而贴有金属箔的电容器，如图四所示。图四由于莱顿瓶的发明，我们可以将静电发生器所产生的电大量贮存到「瓶」中（即电容器）。有了「贮存」电的利器，才能做更精细的实验，而促进了人类对静电的了解【回家作业】P81、3