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电荷 库仑定律,云南省昭通市盐津县艾田中学 蒋显翠,一、电磁学的发展史,古代人已经发现了有关静电现象，主要是梳头或者是羊毛、丝、棉类的衣物摩擦有闪光及电咤声；古希腊人发现琥珀可以吸引轻小物体。 英国的吉尔伯特（15441603）是最早系统地研究电磁现象的科学家。他发现琥珀和磁铁都能够吸引物体，不过性质不同，经过研究，他发现许多其他物体经过摩擦后也都能够吸引其他小物体。引入（electric）（琥珀体）还发明了可供实验用的验电器。,德国的奥托格里克（16021686），马德堡市市长，1654年曾用自己发明的抽气机做了马德堡半球实验；1660年发明了第一台可产生大量电荷的摩擦起电机。有了这样的机器，因而做成了各种各样的电火花实验；还有让人身体带电的实验；这使得18世纪40年代的德国整个社会都对电现象感兴趣，许多人购买了摩擦起电机做实验作为娱乐，同时也大大普及了电学知识。电学知识在整个欧洲各国都普及起来。,法国电学家诺莱特在巴黎圣母院前进行，他请700个修道士手拉手地排起来，让排头的手拿莱顿瓶放电时，发现700个修道士同时跳了起来，显示了电的强大威力。 富兰克林的风筝实验，证明了雷电是一种放电现象，在此基础上，发明了避雷针。,1752年7月的一天，在北美洲的费城，一位名叫富兰克林的科学家，做了一个轰动世界的实验：这天下午，天色阴暗，乌云滚滚。天空中不时闪烁着青白色的电光，传来一阵阵沉闷的雷声，眼看一场可怕的大雷雨就要来临了。,二、接引雷电富兰克林发明避雷针的故事,“这是最合适的天气!”富兰克林和他的儿子威廉带着风筝和莱顿瓶(一种可充放电的容器)，奔向郊外田野里的一间草棚。这可不是一只普通的风筝：它是用丝绸做成的，在它的顶端绑了一根尖细的金属丝，作为吸引闪电的“接收器”；金属丝连着放风筝用的细绳，这样细绳被雨水打湿后，也就成了导线；细绳的另一端系上绸带，作为绝缘体(要干燥)，避免实验者触电；在绸带和绳子之间，挂有一把钥匙，作为电极。,富兰克林和他的儿子连忙乘着风势，将风筝放上了天。风筝，像一只矫健的鸟儿，渐渐地飞到云海中。父子俩躲在草棚的屋檐下，手中紧握着没有被雨水淋湿的绸带，目不转睛地观察着风筝的动静。 突然，天空中掠过一道耀眼的闪电。富兰克林发现，风筝引绳上的纤维丝一下子竖立起来。这说明，雷电已经通过风筝和引绳传导下来了。,富兰克林高兴极了，他禁不住伸出左手，触碰一下引绳上的钥匙。“哧”的一声，一个小小的蓝火花跳了出来。 “这果然是电!”富兰克林兴奋地叫了起来。 “把莱顿瓶拿过来。”富兰克林对威廉喊道。他连忙把引绳上的钥匙和莱顿瓶连接起来。莱顿瓶上电火花闪烁。这说明莱顿瓶充了。 事后，富兰克林用莱顿瓶收集的雷电，做了一系列的实验，进一步证实了雷电与普通电完全相同。,富兰克林的这一风筝实验，彻底地击碎了闪电是“上帝之火”、“煤气爆炸”等流行的说法，使人们真正认识到雷电的本质。因此，人们说：“富兰克林把上帝与闪电分了家。” 富兰克林的风筝实验绝不是一时冲动所做的。早在数年前，他就致力于电的研究，并在当时人们不知“电为何物”的时代，指出了电的性质。,在一次研究的意外事件中，他得到启迪。有一次，他把几只莱顿瓶连在一起，以加大电容量。不料，实验的时候，守在一旁的妻子丽德不小心碰了一下莱顿瓶，只听得“轰”的一声，一团电火花闪过，丽德被击中倒地，面色惨白。她因此休息了一个星期身体才得到康复。,“莱顿瓶发出的轰鸣声，放出的电火花，不是和雷电一样吗?”富兰克林大胆地提出这个设想。经过反复思考，他推测雷电就是普通的电，并找出它们两者问的12条相同之处：都发亮光；光的颜色相同；闪电和电火花的路线都是曲折的；运动都极其迅速；都能被金属传导；都能发出爆炸声或噪声；都能在水或冰块中存在；通过物体时都能使之破裂；都能杀死动物；都能熔化金属；都能使易燃物燃烧；都放出硫磺气味。,1747年，富兰克林把他的这些想法，写成论文论雷电与电气的一致性。他将论文寄给他的朋友、英国皇家学会会员科林逊。可当科林逊将论文送交皇家学会讨论时，得到的是一阵嘲笑。许多权威科学家认为富兰克林的观点荒唐无比，“把科学当作儿童的幻想”。 对于权威人士的嘲笑、奚落，富兰克林不予理睬，终于在做好各种准备的情况下，冒着生命危险，做了风筝实验。 富兰克林从风筝实验中，不但了解了雷电的性质，而且证实：雷电是可以从天空“走”下来的。“高大建筑物常常遭到雷击，能不能给雷电搭一个梯子，让它乖乖地走下来呢?”富兰克林想。,正当富兰克林思考这一问题的时候，不幸从俄国彼得堡传来消息：1753年7月26日，科学家利赫曼为了验证富兰克林的实验，在操作时，不幸被一道电火花击中身亡。这更坚定了富兰克林研制避免雷击装置的决心。 他先在自己家做实验：在屋顶高耸的烟囱上，安装一根3米长的尖顶细铁棒；在细铁棒的下端绑上金属线；沿着楼梯，把金属线引到底楼的一个水泵上(水泵与大地有接触)；将经过房间的那段金属线分成两段，且将两股线相隔一段距离，各挂一个小铃。这样，如果雷电从细铁棒进入，经过金属线进入大地，那么，两股线受力，小铃就会晃荡，发出响声。,1747年，富兰克林把他的这些想法，写成论文论雷电与电气的一致性。他将论文寄给他的朋友、英国皇家学会会员科林逊。可当科林逊将论文送交皇家学会讨论时，得到的是一阵嘲笑。许多权威科学家认为富兰克林的观点荒唐无比，“把科学当作儿童的幻想”。 对于权威人士的嘲笑、奚落，富兰克林不予理睬，终于在做好各种准备的情况下，冒着生命危险，做了风筝实验。 富兰克林从风筝实验中，不但了解了雷电的性质，而且证实：雷电是可以从天空“走”下来的。“高大建筑物常常遭到雷击，能不能给雷电搭一个梯子，让它乖乖地走下来呢?”富兰克林想。,正当富兰克林思考这一问题的时候，不幸从俄国彼得堡传来消息：1753年7月26日，科学家利赫曼为了验证富兰克林的实验，在操作时，不幸被一道电火花击中身亡。这更坚定了富兰克林研制避免雷击装置的决心。他先在自己家做实验：在屋顶高耸的烟囱上，安装一根3米长的尖顶细铁棒；在细铁棒的下端绑上金属线；沿着楼梯，把金属线引到底楼的一个水泵上(水泵与大地有接触)；将经过房间的那段金属线分成两段，且将两股线相隔一段距离，各挂一个小铃。这样，如果雷电从细铁棒进入，经过金属线进入大地，那么，两股线受力，小铃就会晃荡，发出响声。,一天，电闪雷鸣，暴风雨就要来了。在雷声、雨声的“伴奏”下，守候在房间小铃旁的富兰克林，听到了小铃发出的清脆、悦耳的声音。他高兴地笑了。 富兰克林把那根细铁棒称为“避雷针”。 避雷针的问世，引起了教会的反对。他们认为：“装在屋顶的尖杆指向天空是对上帝的不敬。”“干涉上帝的事，对上帝指手划脚，是要受上帝惩罚的。” 然而，有一次在一场雷雨之后，神圣的教堂着火了，而装有避雷针的房屋却平安无事。于是，避雷针的作用被人们认识，避雷针也很快地传开了。至1784年，全欧洲的高楼顶上都用上了避雷针。,富兰克林的发现统一了天电和地电，破除了人们对雷电的迷信。储存了天电的莱顿瓶可以产生一切地电所能产生的现象，这就证明了天电与地电是一样的。,电荷亦称电，是实物的一种属性人们对电的认识最初来自摩擦起电现象和自然界的雷电现象例如，在公元3世纪，我国晋朝张华的博物志中就有记载：“今人梳头，解着衣，有随梳解结，有光者，亦有咤声”这是世界上关于摩擦起电引起闪光和噼啪之声的较早记载,三、电荷,凡是物体有了上述吸引轻小物体的性质，我们就说它带了电当时因认识水平有限，人们还并不明了电的本质，认为电是依附在物体上的，因而把它称为电荷，并把电荷的携带者称为带电体习惯上也常常把带电的微粒叫电荷例如运动电荷、自由电荷等，这种名称一直沿用到现在实验证明，自然界中只存在两种性质的电荷，而且同种电荷互相排斥；异种电荷互相吸引为了区别两种电荷，历史上由美国富兰克林首先提出：把用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷叫负电荷，而把绸子摩擦过的玻璃棒所带的电荷叫正电荷这种规定完全是人为的，并具有相对性，但国际上一直沿用到今天,古人发现，用毛皮摩擦过的琥珀能够吸引羽毛、头发等轻小物体随后人们进一步发现，摩擦后能够吸引轻小物体的现象并不是琥珀所独有的，像玻璃棒、火漆棒、硬橡胶棒、硫磺块或水晶块等，用毛皮或丝绸摩擦后也能吸引轻小物体,电荷是一种物质属性,自然界中有两种电荷：正电荷和负电荷,电荷性质： 同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。,现代科学早已把物质结构的秘密揭开：物质都是由分子组成而分子由原子组成，原子是由一个带正电的原子核和一定数目的绕核运动的带负电的电子组成原子核所带正电量的总数与核外所有电子的负电量总数是相等的，且正电荷、负电荷分布的中心（常称电荷中心）重合,因而，在通常情况下，整个原子呈电中性（所谓不带电）当原子因某种原因（如摩擦、受热、化学变化等），而失去一个或几个电子时，原子就显为“带正电”，获得额外电子时，就显为“带负电”所以，实质上物体的带电过程就是电子的得失过程比如用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的正电荷，实质上就是由于两者摩擦，组成玻璃棒的原子上的若干电子转移到丝绸上，使玻璃棒失去电子带正电，而丝绸得到电子带负电,1、摩擦起电 原因：两个物体互相摩擦时，因为不同物体的原子核束缚核外电子的本领不同，所以其中必定有一个物体失去一些电子，另一个物体得到多余的电子。,四、使物体带电的方法,2、感应起电,（1）静电感应：把电荷移近不带电的导体，可以使导体带电的现象，叫做静电感应。 （2）感应起电：利用静电感应使物体带电，叫做感应起电。,把带正电荷的C球移近彼此接触的导体A和B，可以看到A、B上的金属箔片都张开，这表明A、B都带上了电荷如果先把C移走，A和B上的金属箔片就会闭合如果先把A和B分开，再移走C，可以看到A、B上的金属箔片仍张开，接着让A和B接触，它们的金属箔片都闭合，这证明A和B分开后所带的是异种等量的电荷，重新接触后等量异种电荷发生中和。,（3）静电感应的原因：把带电球C移近金属导体A和B时，导体上的自由电子被吸引过来，因此导体A和B带上了等量的异种电荷感应起电没有创造电荷，而是使物体中的正负电荷分开，将电荷从物体的一部分转移到另一部分。,3.接触起电,接触起电指让不带电的物体接触带电的物体，则不带电的物体也带上了与带电物体相同的电荷，如把带负电的橡胶棒与不带电的验电器金属球接触，验电器就带上了负电，且金属箔片会张开。 接触起电实质:也是正负电荷分离。,电荷守恒定律是大量实验事实的总结，适用于迄今所知的一切宏观过程和微观过程。质子和电子是正负电荷的基本单元。在各种物理过程中，电子和质子总数不变，只是组合方式或所在位置有所改变，因而电荷守恒是十分自然的。,四、电荷守恒定律,值得指出的，近代物理学发现了大量有关基本粒子互相转化的事实。例如正、负电子e+、e-对撞湮没 ，产生两个光子；在这些过程中，出现了电荷的消失或产生，但反应物的总电荷等于生成物的总电荷，电荷仍守恒。这意味着电荷守恒具有更深刻的根源。,物理学的基本定律之一 。它指出，对于一个孤立系统，不论发生什么变化 ，其中所有电荷的代数和永远保持不变。电荷守恒定律表明，如果某一区域中的电荷增加或减少了，那么必定有等量的电荷进入或离开该区域；如果在一个物理过程中产生或消失了某种符号的电荷，那么必定有等量的异号电荷同时产生或消失。,电荷既不能创造，也不能消灭，只能从一个物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，在转移过程中，电荷的总量保持不变。 因此，电荷守恒定律又可表示为：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和总是保持不变的。,五、元电荷,元电荷的数值最早是由美国科学家密立根用实验测得到的尽管质子、电子的电荷量的数值皆为1.610-19C，但它们不叫元电荷，它们电荷量的绝对值才叫元电荷比较电荷带电的多少，要比较的是其电荷量的绝对值，绝对值大的带电多尽管电荷量有正负值（正号一般省略），要知道这里的“”、“”号代表电荷的性质（种类），与数学中的正负号的含义不同一般，正电荷的电量用正值表示，负电荷的电量用负值表示。,电荷是实物的一种属性 电荷的多少叫电荷量电荷量是指物体带电的多少，常常简称电量电量是电荷的定量基度带电体是指处于带电状态的物体 电荷、电量、带电体三个词往往不加区分地使用，其中电荷一词用得最广在某些情况下，电荷实际指带电体本身,电荷量的国际单位是：C,电子和质子的电荷量均为e，所有带电体的电荷量或者等于e，或者是e的整数倍。,例1：科学家在研究原子、原子核及基本粒子时，为了方便，常常用元电荷作为电量的单位，关于元电荷，下列论述正确的是： A、把质子或电子叫元电荷 B、1.6010-19C的电量叫元电荷 C、电子带有最小的负电荷，其电量的绝对值叫元电荷 D、质子带有最小的正电荷，其电量的绝对值叫元电荷,答案：B、C、D,例2：有A、B、C三个塑料小球，A和B，B和C，C和A间都是相互吸引的，如果A带正电，则 ： AB、C球均带负电 BB球带负电，C球带正电 CB、C球中必有一个带负电，而另一个不带电 DB、C球都不带电,答案：C,六、库仑定律,电荷之间的作用力随电荷量的增大而增大，随距离的增大而减小。,法国物理学家库仑，用实验研究了电荷间相互作用的电力，这就是库仑定律。,内容：真空中的两个点电荷之间的作用力，跟它们的电荷量的乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比，作用力的方向在它们的连线上。,k叫静电力常量，k=9109 Nm2/C2,表达式：,点电荷,a.不考虑大小和电荷的具体分布，可视为集中于一点的电荷。 b.点电荷是一种理想化模型。 c.介绍把带电体处理为点电荷的条件：带电体间的距离比它们自身的大小大得多，带电体的形状和大小对相互作用力的影响可以忽略不计时。,适用条件,只适用于真空（或特定的空气）中的两个点电荷之间的相互作用,典型例题,试比较电子和质子间的静电引力和万有引力。已知电子的质量m1=9.1010-31kg，质子的质量m2=1.6710-27kg，电子和质子的电荷量都是1.6010-19