静电现象及其微观解释

第一章 静电场 第一节 静电现象及其微观解释 1 使物体带电的常用三种方式是摩擦起电 带电及感应起电 其中利用静电感应使导体带电叫做感应起 电 2 验电器是检验物体是否带电和估测物体带电多少的仪器 当带电的橡胶与验电器的金属球接触时 有 一部分电荷转移到验电器上 与金属球相连的两个指针带上同种电荷 因相互排斥而张开 3 电荷既不能创造 也不能消灭 只能从物体的一部分转移到另一部分 或者从一个物体转移到另一个 物体 在任何转移的过程中 电荷的总量不变 4 因为两种不同物质组成的物体相互摩擦时 由于摩擦做功 使一个物体中一些原子的电子获得了能量 挣脱了原子核的束缚 转移到了另一个物体 丝绸摩擦玻璃棒时 玻璃棒失去了电子带正电 丝绸获 得了电子带负电 5 感应起电的实质是 在带电体上电荷的作用下 导体上的正负电荷发生分离 使电荷从导体的一部分 转移到了另一部分 例如 带负电的橡胶棒靠近金属球时 金属球靠近橡胶棒的一端带正电 远离橡 胶棒的一端带负电 6 在生产和生活中 静电的应用十分广泛 激光打印机 静电喷雾等 很多空气净化器就是利用静电来 吸引空气中的尘埃 使空气得以净化 防止静电危害的一种方法是尽快把静电导走 如没罐车车尾装 有一条拖在地上的铁链以导走运输过程中油和油罐摩擦产生的静电 避免由此引起的爆炸事故 第二节 静电力 库仑定律 1 本身的线度比相互之间的距离小得很多的带电体叫做点电荷 两个 带电体能否视为点电荷 要看它们 本身的线度是否比它们之间的距离小的多 而不是看物体本身有多大 2 电荷间作用力的大小跟距离 电荷量的关系 1 探究电荷间作用力的大小跟距离的关系 A 实验现象 如图 a 所示 把两个带同种电荷的小球挂在丝线 下端 会观察到什么现象 将两个小球之间的距离增大 又会 观察到什么现象 B 讨论研究 两个带电小球之间作用力的大小跟丝线与竖直方 向的夹角有什么关系呢 挂在丝线下端的小球在重力 丝线接 力和电荷之间的作用力这 3 个力作用下平衡 从图 b 可知 电 荷间的静电力 F 与重力 G 夹角 的关系为 F G tan 显然 越大 静电力 F 越大 C 归纳总结 综上所述 可以得出的结论是 2 探究电荷间作用力的大小跟电荷量的关系 3 保持丝线悬点的位置不动 分别增加它们的电荷量 会观察到 什么现象 这个现象说明什么问题 3 利用库仑扭秤实验得 真空中两个点电荷之间的相互作用力 F 的大小 跟它们的电荷量 Q1 Q2的乘积 成正比 跟它们的距离 r 的二次方成反比 作用力的方向沿着它们的连线 同种电荷相斥 异种电荷相 吸 这个规律叫做库仑定律 该规律适用条件是真空中的点电荷 4 对于两个以上的点电荷 其中第一个点电荷所受的总静电力 等于其他点电荷分别单独存在时对该点 电荷的作用力的矢量和 这个结论通常叫做静电力叠加原理 5 对静电力与万有引力进行比较 我们可以看到 自然规律既具有多样性又具有统一性 对于微观粒子 a b 相互之间的静电力远远大于万有引力 6 类比是研究物理问题的一种重要方法 它是根据两类对象之间某些方面的相似性 推出它们在其他方 面也可能相似的一种思维方法 库仑定律就是科学家借助类比的方法发现重要规律的典型事例 第三节 电场及其描述 1 电场是一种客观存在 是物质存在的一种形式 电场对于处在电场中的电荷有力的作用 这种力 叫做电场力 2 放入电场中某点的电荷受到的电场力 F 与电荷量 q 的比值 叫做电场强度 电场强度是矢 q F E 量 物理学中规定 电场中某点的电场强度的方向跟正电荷在该点所受到电场力的方向相同 电 场强度 E 从力的角度描述了电场的性质 反映了电场的强弱 3 密立根实验不仅测出了电子的电荷量 e 1 60 10 19C 还证明了带电微粒的电荷量都是电子电荷 量的整数倍 这个结论通常称为电荷量子化 电子的电荷量 e 是电荷量值的一个基本量 这个电 荷量叫做基本电荷 又称元电荷 4 仿照用磁感线描述磁场的方法 可用电场线形象地描述电场 电场线上任意一点的切线方向表示 该点的电场强度方向 用电场线的疏密来大致表示电场强度的大小 电场中实际并不存在电场线 电场线总是起自正电荷 或无穷远处 止于负电荷 或无穷远处 不会在没有电荷的地方起始 或终止 第四节 电场中的导体 1 如果有几个电荷同时存在 电场中任一点的电场强度等于这几个点电荷各自在该点产生的电场强 度的矢量和 这个结论叫做场强叠加原理 从电场叠加性原理可知 几个 电场可以同时占据同一个空间 而实物的分子或原子所占据的空 间则不能为另一个分子或原子所占据 这是电场这种特殊物质与平常所说的实体物质的又一重要 区别 2 两个相距很近的等量异种点电荷组成的系统叫做电偶极子 3 物理学中将导体中没有电荷移动的状态叫做静电平衡 处于静电平衡的导体 内部电场强度处处 为零电荷只能分布在导体的外表面上 4 如果这个导体是中空的 当它达到静电平衡时 内部 将没有电场 这样 导体外壳就会使它的内部不受外 部电场的影响 这种现象称为静电屏蔽 5 静电屏蔽不但可以使金属内部不受外部电场的影响 还可以通过用金属壳接地的方法隔离内部带电体对外 界的影响 电器和接地的金属壳外表面连接起来 验 电器箔片不张开 说明金属壳外表面産的感应电荷因 接地而中和 壳内带电小球对外界的影响就全部消除 了 6 静电屏蔽在实际生活中有着重要的应用 高压线路的 检修人员在进行高压带电作业时 要带上用金属丝网制成的手套 幌子 穿上衣裤 鞋袜一体的 屏蔽服相当于把人体用金属网起来 这样 外部电场就不会影响到人体 第二章 电势能与电势差 第一节 电场力做功与电势能 1 电场力做功的特点是 在电场中移动电荷时 电场力做的功与路径无关 只与始末位置有关 2 电荷在电场中某点的电势能等于把电荷从这点移动选定的参考点时电场力所做的功 3 如果利用外力克服电场力做功 外力对电荷做的功就转化成电势能储存起来 电荷的电势能增加 电 场力对电荷做正功 储存的电势能就释放出来 电荷的电势能就减小 也就是说 电场力做功的过程 就是电势能转化为其他形式能的过程 4 在讨论电势能的时候 也需要先规定电荷在某一位置的电势能为零 然后才能确定电荷在其他位置的 电势能 选择不同的零势能点 电荷在电场中同一点的电势能的值是不同的 但电场中两点间的电势 能之差却不会由于零势能点的选择不同而发生变化 第二节 电势与等势面 1 电荷在电场中某点的电势能跟电荷量的比值 叫做该点的电势 国际单位制中 电势的 q Ep A 单位是伏特 符号为 V 电势是标量 只有先规定了电场中某外的电势为零 才能确定该电场中各 点的电势值 2 把电场中电势相等的点构成的面叫做等势面 在点电荷形成的电场中 得失成败是一系列以点电荷 为圆心的同心球面 因为在等势面上电荷所受的电场力与等势面垂直 电荷在任何一个等势面上运 动时电场力都不会做功 3 表面具有凸出尖端的带电导体 在尖端处的电荷分布窥度很大 因而场强很大 带电较多的导体 在尖端部位 场强可以大到使周围的空气发生电离而引起放电的程度 这就是尖端放电现象 4 劈雷针就是应用尖端放电的原理来防止雷击造成危害的 当带电的云层接近地 面时 地面上的物体会受其影响带 异种电荷 电荷积累到一定程度 在云层与地面之间便会发生强烈的 火花放电 这就是雷击 物体表面 凸起尖锐的部分电荷的分布比较密 集 地面上的电荷主要分布在高大 建筑物 大树等物体上 为了避免 遭受雷击 在高大建筑物上安装尖 端导体 避雷针 用粗导线将其 与地下的金属板或金属管相连 避 雷针所放出的电荷就可以中和云层 中的部分电荷 更主要的是云层中 的大量电荷就可以通过避雷针直接 引入地下 从而达到保护建筑物的 目的 带电云层 空气分子电离 云层放电 大地 避雷针的作用 第三节 电势差与电场力做功 1 选择不同的位置做零电势点 电场中同一点的电势不同 但两点之 间的数值之差 电势差 不变 2 在电场中 A B 两点间移动电荷 q 的过程中 电场力做的功 W 等于 电荷量 q 和这两点间的电势差 UAB的乘积 3 在匀强电场中 电场强度等于沿场强方向单位距离上的电势差 即 E UAB d 4 示波器分为阴极射线管示波器和数字示波器两类 阴极射线管示波 器主要由电子枪 偏转电极和荧光屏组成 示波管内抽成真空 示 波器在实际工作时 竖直偏转板和水平偏转板都加上电压 打在荧 光屏上的亮斑既在竖直方向偏移 也在水平方向偏移 亮斑的运动就是竖直和水平两个方向运动的 合成 通常 加在竖直偏转板上的电压是要研究的信号电压 它随时间而变化 如果信号电压是同 期性的 且瑟加在水平偏转板的扫描电压周期相同 在荧光屏上就会显示出信号电压随时间变化的 图像 第四节 电容器 电容 1 如图所示 电路开关 S 先与 1 端接触 再与 2 端接触时 我们发现电灯会闪烁一下 这说 明电容器带电了 我们把 S 与 1 端接触使电容器带电的过程叫做电容器的充电 把 S 与 2 端接触放掉电容器中的电的过程叫做电容器的放电 2 电容器极板上的带电量 Q 与两极板间的电势差 UAB的比值称为该电容器的电容 C ab U Q C 一个电容器的电容是与 Q U 无关的常量 电容的单位是法拉 简称法 符号是 F 除了法拉 电容还有微法 F 皮法 pF 等单位 3 常见的电容器按导体极板间所用的电介质的不同来分类 有空气电容器 云母电容器 纸质电