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3-1.ppt

1、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，

2、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

3、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。

4、,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

5、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、

6、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( ) AA端金箔张开，B端金箔闭合 B

7、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，qaqb D.导体Q上，qaqb,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

8、 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-drop experiment），是罗伯特密立根与哈维福莱柴尔（Harvey Fletcher）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

9、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”（Cargo cult science）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

10、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。

11、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

12、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

13、，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19111913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

14、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，