安徽省合肥市高中物理 第一章 静电场 1.1 电荷及其守恒定律课件 新人教版选修31.pptVIP

1 1电荷及其守恒定律 一 人类研究静电现象的历史 早在公元前585年 古希腊哲学家塞利斯 已经发现了摩擦过的琥珀能吸引碎草等轻小物体 我国东汉时期的王充在 论衡 一书中提到 顿牟掇芥 等问题 所谓顿牟就是琥珀 掇芥意即吸引籽菜 就是说摩擦琥珀能吸引轻小物体 西汉末年 有关于 玳瑁吸 细小物体之意 的记载 以及 元始中 公元三年 矛端生火 即金属制的矛的尖端放电的记载 晋朝 公元三世纪 还有关于摩擦起电引起放电现象的记载 今人梳头 解著衣 有随梳解结 有光者 亦有声 人物在对电现象的早期研究中 最早进行系统研究的首推英国医生威廉 吉尔伯特 1660年马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机 他用硫磺制成形如地球仪的可转动物体 用干燥的手掌擦着干燥的球体使之停止可获得电 盖利克的摩擦起电机经过不断改进 在静电实验中起着非常重要的作用 1731年英国牧师格雷从实验中发现 由摩擦产生的电在玻璃和丝绸这类物体上可以保持下来而不流动 而有的物体如金属 它们不能由摩擦而产生电 但却可以用金属丝把房里摩擦产生的电引出来绕花园一周 在末端仍具有对轻小物体的吸引作用 他第一次分清了导体和绝缘体 并认为电是一种流体 1745年德国牧师克茉斯脱 试用一根钉子把电引到瓶子里去 当他一手握瓶 一手摸钉子时 受到了明显的电击 1746年 荷兰莱顿城莱顿大学的教授彼得 冯 慕欣布罗克无意中发现了同样的现象 穆欣布罗克的发现 使电学史上第一个保存电荷的容器诞生了 1746年英国伦敦一名叫柯林森的物理学家 通过邮寄向美国费城的本杰明 富兰克林赠送了一只莱顿瓶 并在信中向他介绍了使用方法 这直导致了1752年富兰克林著名的费城实验 他用风筝将 天电 引了下来 把天电收集到莱顿瓶中 从而弄明白了 天电 和 地电 原来是一回事 十八世纪后期 贝内特发明验电器 这种仪器一直沿用到现在 它可以近似地测量一个物体上所带的电量 另外 1785年 库仑发明扭秤 用它来测量静电力 推导出库仑定律 并将这一定律推广到磁力测量上 科学家使用了验电器和扭秤后 使静电现象的研究工作从定性走上了定量的道路 生活中的静电现象 在日常生活中 我们用梳子在理头发的时候 常常会发现毛发在高压静电场力的作用下形成射线状 我们在每天夜晚脱衣服的时候 也常常会发现一种闪光效应和劈了啪啦的闪光声响 有时 我们在触摸 猫或狗 的皮毛时 你会受到微量的 电击 还有 你用梳子理一下你的头发 你就可以将碎纸屑吸引起来 这就是我们常说的 电 现象 有很多种物体在运动中 都可生成两边的端点带有正负电荷的电场效应 当电荷量聚集达到数万伏的高压时 它就会向四周的其它物体产生电荷放电 这就是物体的摩擦起电状态 静电现象包括许多大自然例子 像塑胶袋与手之间的吸引 似乎是自发性的谷仓爆炸 在制造过程中电子元件的损毁 影印机的运作原理等等 当一个物体的表面接触到其它表面时 电荷集结于这物体表面成为静电 虽然电荷交换是因为两个表面的接触和分开而产生的 只有当其中一个表面的电阻很高时 电流变的很小 电荷交换的效应才会被注意到 因为 电荷会被入陷于那表面 在那里度过很长一段时间 足够让这效应被观察到的一段时间 在公元前六世纪 人类就发现琥珀摩擦后 能够吸引轻小物体的 静电现象 这是自由电荷在物体之间转移后 所呈现的电性 此外丝绸或毛料摩擦时 产生的小火花 是电荷中和的效果 雷电 则是大自然中 因为云层累积的正负电荷剧烈中和 所产生的电光 雷声 热量 二 电荷 提问 1 绝缘体和导体的原子结构 2 解释摩擦起电 接触起电的原理和本质 3 在这两种起电方式里 电荷有没有创生 有没有消失 感应起电 提问 1 感应起电的力来源是什么 2 感应起电的本质是什么 验电器的工作原理 能区分静电计和验电器吗 三 电荷守恒定律的内容 例1绝缘细线上端固定 下端悬挂一轻质小球a a的表面镀有铝膜 在a的近旁有一绝缘金属球b 开始时a b都不带电 现使b带电 则a ab之间不发生相互作用b b将吸引a 吸住后不放开c b立即把a排斥开d b先吸引a 接触后又把a排斥开 例2如图所示 不带电的枕形导体的a b两端各贴有一对金箔 当枕形导体的a端靠近一带电导体c时 a a端金箔张开 b端金箔闭合b 用手触摸枕形导体后 a端金箔仍张开 b端金箔闭合c 用手触摸枕形导体后 将手和c都移走 两对金箔均张开d 选项a中两对金箔分别带异种电荷 选项c中两对金箔带同种电荷 例3 q是一个绝缘金属导体 把一个带正电的绝缘金属球p移近q 由于静电感应 a端出现的感应电荷量大小为qa b端为qb a 用手接触一下q的a端 拿走p后q带正电b 用手接触一下q的b端 拿走p后q带负电c 导体q上 qa qbd 导体q上 qa qb 例4一个带正电的验电器如图所示 当一个金属球a靠近验电器上的金属球b时 验电器中金属箔片的张角减小 则 a 金属球a可能不带电b 金属球a一定带正电c 金属球a可能带负电d 金属球a一定带负电 四 元电荷 1 什么叫电荷量 2 什么叫元电荷 3 能再举些量子化的例子吗 4 元电荷和电子电量 质子电量的关系 密立根油滴实验 油滴实验 oil dropexperiment 是罗伯特 密立根与哈维 福莱柴尔 harveyfletcher 在1909年所进行的一项物理学实验 并使罗伯特 密立根因而获得1923年的获得诺贝尔物理学奖 此实验的目的是要测量单一电子的电荷 方法主要是平衡重力与电力 使油滴悬浮于两片金属电极之间 并根据已知的电场强度 计算出整颗油滴的总电荷量 重复对许多油滴进行实验之后 密立根发现所有油滴的总电荷值皆为同一数字的倍数 因此认定此数值为单一电子的电荷e 草包族科学 理查 费曼曾经在1974年 于加州理工学院的一场毕业典礼演说中叙述 草包族科学 cargocultscience 时提到 从过往的经验 我们学到了如何应付一些自我欺骗的情况 举个例子 密立根做了个油滴实验 量出了电子的带电量 得到一个今天我们知道是不大对的答案 他的资料有点偏差 因为他用了个不准确的空气粘滞系数数值 于是 如果你把在密立根之后 进行测量电子带电量所得到的资料整理一下 就会发现一些很有趣的现象 把这些资料跟时间画成坐标图 你会发现这个人得到的数值比密立根的数值大一点点 下一个人得到的资料又再大一点点 下一个又再大上一点点 最后 到了一个更大的数值才稳定下来 为什么他们没有在一开始就发现新数值应该较高 这件事令许多相关的科学家惭愧脸红 因为显然很多人的做事方式是 当他们获得一个比密立根数值更高的结果时 他们以为一定哪里出了错 他们会拼命寻找 并且找到了实验有错误的原因 另一方面 当他们获得的结果跟密立根的相仿时 便不会那么用心去检讨 因此 他们排除了所谓相差太大的资料 不予考虑 我们现在已经很清楚那些伎俩了 因此再也不会犯同样的毛病 实验作假丑闻 密立根油滴实验60年后 史学家发现 密立根一共向外公布了58次观测数据 而他本人一共做过140次观测 他在实验中通过预先估测 去掉了那些他认为有偏差 误差大的数据 这违反了科学的原则 密立根是在1907年在芝加哥大学任教时开始做测定基本电荷的实验的 他一开始用的是水滴 在1909年他首次报告了用水滴测定的基本电荷的数值 但是用水滴做实验有一个很大的问题 水滴很容易挥发 只能对它们的运动情况做几秒种的观察 这时研究生哈维 弗雷彻加入了密立根实验室 在参与讨论如何防止水滴蒸发的问题之后 弗雷彻建议改用油滴做实验 在一天之间 弗雷彻制作了油滴实验的设备 并在当天就进行了实验 获得了一个比较靠谱的基本电荷数据 那一天密立根不在实验室 密立根在第二天回到实验室后 看到了弗雷彻的实验设备 非常兴奋 此后两个人一起工作 对实验设备进行了改进 6周后 公布了实验结果 很显然 这个实验的论文应该由两人联合发表 但是密立根提醒弗雷彻 根据学校的要求 研究生的博士论文必须单独署名 不能有合作者 密立根建议 弗雷彻可以在以后的某篇论文单独署名作为其博士论文 但是做为交换条件 这第一篇论文必须只署密立根一人的名字 弗雷彻虽然感到失望 但是没有别的办法 同意了这一安排 于是在1910年密立根做为唯一作者发表了第一篇油滴实验的论文 并最终获得诺贝尔奖 弗雷彻则在第5篇论文中做为唯一作者 1982年 弗雷彻死后发表的文章中才披露了这个秘密 这个安排虽然是两人协议的结果 而密立根在第一论文中也提到实验是由他和弗雷彻一起做的 但是不管以什么理由或交换条件 剥夺研究生在参与设计和实验的论文的署名权 仍然是一种不正当的行为 不能拿论文的署名权做交易 密立根如果大度一点的话 完全可以让第一篇论文两人共同署名 这与让弗雷彻以后在某篇主要由他一个人完成的论文中单独署名 一点也不冲突 论文的作者必须是对实验做出了实质性贡献的所有的人 不能多也不能少 然而 即使是在今天 实验室的 老板 不看对论文的实质性贡献 利用权势决定谁是论文的共同作者 这仍然是相当常见的 密立根的问题还不限于此 在密立根的论文发表后 其他实验室试图重复其实验 其主要对手是维也纳大学的菲里克斯 厄仑霍夫特 在1911 1913年间 厄仑霍夫特重复了油滴实验 但是却未能发现像密立根所说的油滴所带 罗伯特 密立根的电量总是某一个最小固定值的整数倍 1913年 密立根发表了一篇论文 其数据非常清楚地表明了基本电荷的存在 并算出了基本电荷的精确值 从而结束了争论 密立根油滴实验果真像其论文显示的那样清晰 精确吗 1981年 阿兰 富兰克林研究了密立根的实验记录本 发现密立根在记录本中对其观察结果进行打分 从 一般 到 最好 根据记录本 密立根在1913年发表的论文依据的是140次观察 然而他把其中49次观察的数据舍弃不用 只根据91次他认为较好的观察结果的数据进行计算 但是 在论文中 密立根却声称该论文 代表了所有的油滴实验 如果密立根把所有的观察数据都包括进去 虽然不会影响其结果 却会加大误差 这样 密立根通过有选择性地删除数据 获得了漂亮的实验结果 并且在论文中误导读者 像这样对实验数据进行修饰 不论是少报还是多报实验次数 不论是删除不利数据还是增添有利数据 都是一种严重的学术不端行为 现在看来 密立根当时获得的基本电荷数值偏低