人教版高中物理必修第三冊全冊教學(xué)課件

人教版高中物理必修第三冊全冊教學(xué)課件第九章靜電場及其應(yīng)用1電荷問題導(dǎo)入摩擦可以使物體帶電。摩擦過的琥珀能夠吸引羽毛。為什么有的物體容易帶電，而有的物體很難帶電呢？電荷公元前600年左右，古希臘學(xué)者泰勒斯就發(fā)現(xiàn)摩擦過的琥珀吸引輕小物體的現(xiàn)象。我國古代也有類似的記載。例如，公元1世紀(jì)，我國學(xué)者王充在《論衡》一書中寫下“頓牟掇芥”一語。16世紀(jì)，英國科學(xué)家吉爾伯特在研究這類現(xiàn)象時首先根據(jù)希臘文的琥珀創(chuàng)造了英語中的“electricity”（電）這個詞，用來表示琥珀經(jīng)過摩擦以后具有的性質(zhì)，并且認(rèn)為摩擦過的琥珀帶有電荷（electriccharge）。人們發(fā)現(xiàn)，很多物體都會由于摩擦而帶電，并稱這種方式為摩擦起電（electrificationbyfriction）。美國科學(xué)家富蘭克林通過實驗發(fā)現(xiàn)，雷電（圖9.1-1）的性質(zhì)與摩擦產(chǎn)生的電的性質(zhì)完全相同，并命名了正電荷（positivecharge）和負(fù)電荷（negative

charge）。迄今為止，人們沒有發(fā)現(xiàn)對這兩種電荷都排斥或都吸引的電荷。自然界的電荷只有兩種。1881年第1屆國際電學(xué)大會確定庫侖（C）為電荷量的國際單位，定義為1A恒定電流在1s時間間隔內(nèi)所傳送的電荷量為1C。電荷的多少叫作電荷量（electricquantity），用Q

表示，有時也可以用q

來表示。在國際單位制中，它的單位是庫侖（coulomb），簡稱庫，符號是C。正電荷的電荷量為正值，負(fù)電荷的電荷量為負(fù)值。我們知道，原子是由帶正電的質(zhì)子、不帶電的中子以及帶負(fù)電的電子組成的。每個原子中質(zhì)子的正電荷數(shù)量與電子的負(fù)電荷數(shù)量一樣多，所以整個原子對外界表現(xiàn)為電中性。原子內(nèi)部的質(zhì)子和中子被緊密地束縛在一起構(gòu)成原子核，原子核的結(jié)構(gòu)一般是很穩(wěn)定的。通常離原子核較遠(yuǎn)的電子受到的束縛較弱，容易受到外界的作用而脫離原子。當(dāng)兩種物質(zhì)組成的物體互相摩擦?xí)r，一些受束縛較弱的電子會轉(zhuǎn)移到另一個物體上。于是，原來電中性的物體由于得到電子而帶負(fù)電，失去電子的物體則帶正電。這就是摩擦起電的原因。不同物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)不同，由于原子或分子間的相互作用，原子中電子的多少和運動狀況也不相同。例如，金屬中原子的外層電子往往會脫離原子核的束縛而在金屬中自由運動，這種電子叫作自由電子（freeelectron）。失去自由電子的原子便成為帶正電的離子（ion），它們在金屬內(nèi)部排列起來，每個正離子都在自己的平衡位置附近振動而不移動，只有自由電子穿梭其中（圖9.1-2），這就使金屬成為導(dǎo)體。絕緣體中幾乎不存在能自由移動的電荷。關(guān)于金屬中原子核、電子所處的狀態(tài)及其運動，這里的情景是一種簡化描述，但它可以有效地解釋與金屬導(dǎo)電有關(guān)的現(xiàn)象，所以也是一個物理模型。靜電感應(yīng)摩擦可以使物體帶電，那么，還有其他方法可以使物體帶電嗎？實驗觀察靜電感應(yīng)現(xiàn)象

取一對用絕緣柱支持的導(dǎo)體A和B，使它們彼此接觸。起初它們不帶電，貼在下部的兩片金屬箔是閉合的（圖9.1-3）。手握絕緣棒，把帶正電荷的帶電體C移近導(dǎo)體A，金屬箔有什么變化？

這時手持絕緣柱把導(dǎo)體A和B分開，然后移開C，金屬箔又有什么變化？

再讓導(dǎo)體A和B接觸，又會看到什么現(xiàn)象？

利用金屬的微觀結(jié)構(gòu)模型，解釋看到的現(xiàn)象。當(dāng)一個帶電體靠近導(dǎo)體時，由于電荷間相互吸引或排斥，導(dǎo)體中的自由電荷便會趨向或遠(yuǎn)離帶電體，使導(dǎo)體靠近帶電體的一端帶異種電荷，遠(yuǎn)離帶電體的一端帶同種電荷。這種現(xiàn)象叫作靜電感應(yīng)（electrostaticinduction）。利用靜電感應(yīng)使金屬導(dǎo)體帶電的過程叫作感應(yīng)起電。做一做驗電器

從18世紀(jì)起，人們開始經(jīng)常使用一種叫作驗電器的簡單裝置來檢測物體是否帶電。玻璃瓶內(nèi)有兩片金屬箔，用金屬絲掛在一根導(dǎo)體棒的下端，棒的上端穿過絕緣的瓶塞從瓶口伸出（圖9.1-4甲）。如果把金屬箔換成指針，并用金屬制作外殼，這樣的驗電器又叫作靜電計（圖9.1-4乙）。

制作一個驗電器，并用驗電器檢測不同帶電體所帶電荷的種類和相對數(shù)量。

觀察：當(dāng)帶電體靠近導(dǎo)體棒的上端時，金屬箔片是否張開？電荷守恒定律靜電感應(yīng)過程中導(dǎo)體中的自由電荷只是從導(dǎo)體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分。也就是說，無論是摩擦起電還是感應(yīng)起電都沒有創(chuàng)造電荷，只是電荷的分布發(fā)生了變化。大量實驗事實表明，電荷既不會創(chuàng)生，也不會消滅，它只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分；在轉(zhuǎn)移過程中，電荷的總量保持不變。這個結(jié)論叫作電荷守恒定律（lawofconservationofcharge）。追尋守恒量是物理學(xué)研究物質(zhì)世界的重要方法之一，它常使人們揭示出隱藏在物理現(xiàn)象背后的客觀規(guī)律。電荷守恒定律是物理學(xué)中守恒思想的又一具體體現(xiàn)。近代物理實驗發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，帶電粒子可以產(chǎn)生或湮沒。例如，一個高能光子在一定條件下可以產(chǎn)生一個正電子①和一個負(fù)電子；一對正、負(fù)電子可以同時湮沒，轉(zhuǎn)化為光子。不過在這些情況下，帶電粒子總是成對產(chǎn)生或湮沒的，兩個粒子帶電數(shù)量相等但電性相反，而光子又不帶電，所以電荷的代數(shù)和仍然不變。因此，電荷守恒定律更普遍的表述是：一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)，電荷的代數(shù)和保持不變。它是自然界重要的基本規(guī)律之一。元電荷迄今為止，實驗發(fā)現(xiàn)的最小電荷量就是電子所帶的電荷量。質(zhì)子、正電子所帶的電荷量與它相同，電性相反。人們把這個最小的電荷量叫作元電荷（elementarycharge），用e

表示。實驗還發(fā)現(xiàn)，所有帶電體的電荷量都是e

的整數(shù)倍。這就是說，電荷量是不能連續(xù)變化的物理量。元電荷e

的數(shù)值，最早是由美國物理學(xué)家密立根測得的，他因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎。在密立根實驗之后，人們又做了許多測量?，F(xiàn)在公認(rèn)的元電荷e

的值為e

＝1.602176634×10-19C

在計算中，可取

e

＝1.60×10-19C電子的電荷量e

與電子的質(zhì)量me

之比，叫作電子的比荷（specificcharge）。比荷也是一個重要的物理量。電子的質(zhì)量me

＝9.11×10-31kg，所以電子的比荷為同學(xué)們，通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，你有什么收獲呢？謝謝大家愛心.誠心.細(xì)心.耐心，讓家長放心.孩子安心。第九章靜電場及其應(yīng)用2庫侖定律問題導(dǎo)入帶正電的帶電體C置于鐵架臺旁，把系在絲線上帶正電的小球先后掛在P1、P2、P3

等位置。帶電體C與小球間的作用力會隨距離的不同怎樣改變呢？

在同一位置增大或減小小球所帶的電荷量，作用力又會怎樣變化？電荷之間作用力的大小與哪些因素有關(guān)？電荷之間的作用力通過上面的實驗可以看到，電荷之間的作用力隨著電荷量的增大而增大，隨著距離的增大而減小。

電荷之間的作用力會不會與萬有引力具有相似的形式呢？也就是說，電荷之間的相互作用力，會不會與它們電荷量的乘積成正比，與它們之間距離的二次方成反比？事實上，電荷之間的作用力與萬有引力是否相似的問題早已引起當(dāng)年一些研究者的注意，英國科學(xué)家卡文迪什和普里斯特利等人都確信“平方反比”規(guī)律適用于電荷間的力。不過，最終解決這一問題的是法國科學(xué)家?guī)靵?。他設(shè)計了一個十分精妙的實驗（扭秤實驗），對電荷之間的作用力開展研究。最后確認(rèn)：真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上。這個規(guī)律叫作庫侖定律（Coulomb’slaw）。這種電荷之間的相互作用力叫作靜電力（electrostaticforce）或庫侖力。類比在庫侖定律的建立過程中發(fā)揮了重要作用。類比會引起人們的聯(lián)想，產(chǎn)生創(chuàng)新。但是類比不是嚴(yán)格的推理，不一定正確，由類比而提出的猜想是否正確需要實踐的檢驗。那么，什么是點電荷呢?實驗事實說明，兩個實際的帶電體間的相互作用力與它們自身的大小、形狀以及電荷分布都有關(guān)系。任何帶電體都有形狀和大小。當(dāng)帶電體之間的距離比它們自身的大小大得多，以致帶電體的形狀、大小及電荷分布狀況對它們之間的作用力的影響可以忽略時，這樣的帶電體可以看作帶電的點，叫作點電荷(pointcharge)。點電荷類似于力學(xué)中的質(zhì)點，也是一種理想化模型。庫侖的實驗庫侖做實驗用的裝置叫作庫侖扭秤。如圖9.2-1，細(xì)銀絲的下端懸掛一根絕緣棒，棒的一端是一個小球A，另一端通過物體B使絕緣棒平衡，懸絲處于自然狀態(tài)。把另一個帶電的金屬小球C插入容器并使它接觸A，從而使A與C帶同種電荷。將C和A分開，再使C靠近A，A和C之間的作用力使A遠(yuǎn)離。扭轉(zhuǎn)懸絲，使A回到初始位置并靜止，通過懸絲扭轉(zhuǎn)的角度可以比較力的大小。改變A和C之間的距離r，記錄每次懸絲扭轉(zhuǎn)的角度，就可以找到力F與距離r的關(guān)系，結(jié)果是力F與距離r的二次方成反比，即在庫侖那個年代，還不知道怎樣測量物體所帶的電荷量，甚至連電荷量的單位都沒有。不過兩個相同的金屬小球，一個帶電、一個不帶電，互相接觸后，它們對相隔同樣距離的第三個帶電小球的作用力相等，因此，可以斷定這兩個小球接觸后所帶的電荷量相等。這意味著，如果使一個帶電金屬小球與另一個不帶電的完全相同的金屬小球接觸，前者的電荷量就會分給后者一半。多次重復(fù)，可以把帶電小球的電荷量q分為這樣又可以得出電荷之間的作用力與電荷量的關(guān)系：力F與q1和q2的乘積成正比，即①庫侖最初的實驗是用帶電木髓小球進(jìn)行的，并非金屬小球。這個關(guān)系式是由庫侖作為假設(shè)提出的。文中所說的實驗可以看作對這個假設(shè)的檢驗。綜合上述實驗結(jié)論，可以得到如下關(guān)系式式中的k是比例系數(shù)，叫作靜電力常量。當(dāng)兩個點電荷所帶的電荷量為同種時，它們之間的作用力為斥力；反之，為異種時，它們之間的作用力為引力。在國際單位制中，電荷量的單位是庫侖(C)，力的單位是牛頓(N)，距離的單位是米(m)。k的數(shù)值是靜電力計算根據(jù)庫侖定律，兩個電荷量為1C的點電荷在真空中相距1m時，相互作用力是9.0×109N。差不多相當(dāng)于一百萬噸的物體所受的重力！可見，庫侖是一個非常大的電荷量單位，我們幾乎不可能做到使相距1m的兩個物體都帶1C的電荷量。

通常，一把梳子和衣袖摩擦后所帶的電荷量不到百萬分之一庫侖，但天空中發(fā)生閃電之前，巨大的云層中積累的電荷量可達(dá)幾百庫侖。典例精析【例題1】在氫原子內(nèi)，氫原子核與電子之間的最短距離為5.3×10-11m。試比較氫原子核與電子之間的靜電力和萬有引力。分析

氫原子核與質(zhì)子所帶的電荷量相同，是1.6×10-19C。電子帶負(fù)電，所帶的電荷量也是1.6×10-19C。質(zhì)子質(zhì)量為1.67×10-27kg，電子質(zhì)量為9.1×10-31kg。根據(jù)庫侖定律和萬有引力定律就可以求解?？梢姡⒂^粒子間的萬有引力遠(yuǎn)小于庫侖力。因此，在研究微觀帶電粒子的相互作用時，可以把萬有引力忽略。實驗表明，兩個點電荷之間的作用力不因第三個點電荷的存在而改變。庫侖定律描述的是兩個點電荷之間的作用力。如果存在兩個以上點電荷，那么，每個點電荷都要受到其他所有點電荷對它的作用力。兩個或兩個以上點電荷對某一個點電荷的作用力，等于各點電荷單獨對這個點電荷的作用力的矢量和。庫侖定律是電磁學(xué)的基本定律之一。庫侖定律給出的雖然是點電荷之間的靜電力，但是任何一個帶電體都可以看成是由許多點電荷組成的。所以，如果知道帶電體上的電荷分布，根據(jù)庫侖定律就可以求出帶電體之間的靜電力的大小和方向。典例精析【例題2】真空中有三個帶正電的點電荷，它們固定在邊長為50cm的等邊三角形的三個頂點上，每個點電荷的電荷量都是2.0×10-6C，求它們各自所受的靜電力。分析

根據(jù)題意作圖(圖9.2-2)。每個點電荷都受到其他兩個點電荷的斥力，因此，只要求出一個點電荷(例如q3)所受的力即可。同學(xué)們，通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，你有什么收獲呢？謝謝大家愛心.誠心.細(xì)心.耐心，讓家長放心.孩子安心。第九章靜電場及其應(yīng)用3電場電場強度問題導(dǎo)入通過起電機使人體帶電，人的頭發(fā)會豎起散開。為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？你能解釋產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因嗎？電場19世紀(jì)30年代，英國科學(xué)家法拉第提出一種觀點，認(rèn)為在電荷的周圍存在著由它產(chǎn)生的電場①(electricfield)。電場是看不見、摸不著的，但人們卻可以根據(jù)它所表現(xiàn)出的性質(zhì)來認(rèn)識它，研究它。①法拉第提出的是“力線”的概念,“場”是由麥克斯韋等人完善后形成的概念。處在電場中的其他電荷受到的作用力就是這個電場給予的。例如，電荷A對電荷B的作用力，就是電荷A的電場對電荷B的作用；電荷B對電荷A的作用力，就是電荷B的電場對電荷A的作用(圖9.3-1)。物理學(xué)的理論和實驗證實并發(fā)展了法拉第的觀點。電場以及磁場已被證明是一種客觀存在。場像分子、原子等實物粒子一樣具有能量，因而場也是物質(zhì)存在的一種形式。應(yīng)該指出，只有在研究運動的電荷，特別是運動狀態(tài)迅速變化的電荷時，上述場的物質(zhì)性才突顯出來。本章只討論靜止電荷產(chǎn)生的電場，這種場叫作靜電場(electrostaticfield)。電場強度電場是在與電荷的相互作用中表現(xiàn)出自己的特性的。因此，在研究電場的性質(zhì)時，應(yīng)該將電荷放入電場中，從電荷所受的靜電力入手，這個電荷應(yīng)該是電荷量和體積都很小的點電荷。電荷量很小，是為了使它放入后不影響原來要研究的電場。體積很小，是為了便于用它來研究電場各點的性質(zhì)。這樣的電荷常常叫作試探電荷。激發(fā)電場的帶電體所帶的電荷叫作場源電荷，或源電荷。試探電荷是為了研究源電荷電場的性質(zhì)而引入的，它的引入不改變源電荷的電場。思考與討論我們不能直接用試探電荷所受的靜電力來表示電場的強弱，因為對于電荷量不同的試探電荷，即使在電場的同一點，所受的靜電力也不相同。那么，用什么物理量能夠描述電場的強弱呢?如果把一個很小的電荷q1選為試探電荷，它在電場中某個位置受到的靜電力是F1，另一個同樣的電荷在同一位置受到的靜電力一定也是F1；我們可以推測，假如有一個電荷量為2q1的電荷放在這里，它受到的靜電力就是2F1。依此類推，電荷量為3q1的電荷放在這里，受到的靜電力是3F1……也就是說，我們推測試探電荷在電場中某點受到的靜電力F與試探電荷的電荷量q成正比。或者說，試探電荷在電場中某點受到的靜電力F與試探電荷的電荷量q之比是一個常量。你認(rèn)為這樣的推測是否正確？這里的分析是一種猜想和假設(shè)，它的正確性有待進(jìn)一步的檢驗。我們可以用點電荷的電場來進(jìn)行分析。如圖9.3-2，在點電荷Q的電場中的P點，放一個試探電荷q1，它在電場中受到的靜電力是F1，根據(jù)庫侖定律，有放在P點的試探電荷受到的靜電力與它的電荷量之比，跟該點的試探電荷的電荷量無關(guān)，而與產(chǎn)生電場的場源電荷的電荷量Q及P點與場源電荷之間的距離r有關(guān)。實驗表明，無論是點電荷的電場還是其他電場，在電場的不同位置，試探電荷所受的靜電力與它的電荷量之比一般說來是不一樣的。它反映了電場在各點的性質(zhì)，叫作電場強度(electricfieldstrength)。電場強度常用E來表示，根據(jù)分析可以知道電場強度也是通過物理量之比定義的新物理量。按照上式，電場強度的單位應(yīng)是牛每庫，符號為N/C。如果1C的電荷在電場中的某點受到的靜電力是1N，那么該點的電場強度就是1N/C，即電場強度是矢量。物理學(xué)中規(guī)定，電場中某點的電場強度的方向與正電荷在該點所受的靜電力的方向相同。按照這個規(guī)定，負(fù)電荷在電場中某點所受靜電力的方向與該點電場強度的方向相反。點電荷的電場電場強度的疊加點電荷是最簡單的場源電荷，一個電荷量為Q的點電荷，在與之相距r處的電場強度根據(jù)上式可知，如果以電荷量為Q的點電荷為中心作一個球面，則球面上各點的電場強度大小相等。當(dāng)Q為正電荷時，電場強度E的方向沿半徑向外(圖9.3-3甲)；當(dāng)Q為負(fù)電荷時，電場強度E的方向沿半徑向內(nèi)(圖9.3-3乙)。我們知道，兩個或兩個以上的點電荷對某一個點電荷的靜電力，等于各點電荷單獨對這個點電荷的靜電力的矢量和。由此可以推理，如果場源是多個點電荷，則電場中某點的電場強度等于各個點電荷單獨在該點產(chǎn)生的電場強度的矢量和。例如，圖9.3-4中P點的電場強度E，等于點電荷Q1在該點產(chǎn)生的電場強度E1與點電荷Q2(為負(fù)電荷)在該點產(chǎn)生的電場強度E2的矢量和。在一個比較大的帶電體不能看作點電荷的情況下，當(dāng)計算它的電場時，可以把它分成若干小塊，只要每個小塊足夠小，就可以看成點電荷，然后用點電荷電場強度疊加的方法計算整個帶電體的電場。可以證明，一個半徑為R的均勻帶電球體(或球殼)在球的外部產(chǎn)生的電場，與一個位于球心、電荷量相等的點電荷在同一點產(chǎn)生的電場相同(圖9.3-5)，即式中的r是球心到該點的距離(r>R)，Q為整個球體所帶的電荷量。電場線除了用數(shù)學(xué)公式描述電場外，形象地了解和描述電場中各點電場強度的大小和方向也很重要。法拉第采用了一個簡潔的方法來描述電場，那就是畫電場線(electricfieldline)。電場線是畫在電場中的一條條有方向的曲線，曲線上每點的切線方向表示該點的電場強度方向(圖9.3-6)。在同一幅圖中，電場強度較大的地方電場線較密，電場強度較小的地方電場線較疏，因此在同一幅圖中可以用電場線的疏密來比較各點電場強度的大小。從圖9.3-7和圖9.3-8可以看出，電場線有以下兩個特點:(1)電場線從正電荷或無限遠(yuǎn)出發(fā)，終止于無限遠(yuǎn)或負(fù)電荷；(2)電場線在電場中不相交，這是因為在電場中任意一點的電場強度不可能有兩個方向。演示模擬電場線電場線的形狀可以用實驗來模擬。把頭發(fā)碎屑懸浮在蓖麻油里，加上電場，碎屑就按電場強度的方向排列起來，顯示出電場線的分布情況。圖9.3-9是模擬正電荷電場線的照片。

電場線不是實際存在的線，而是為了形象地描述電場而假想的線。這個實驗只是用來模擬電場線的分布。勻強電場如果電場中各點的電場強度的大小相等、方向相同，這個電場就叫作勻強電場。由于方向相同，勾強電場中的電場線應(yīng)該是平行的；又由于電場強度大小相等，電場線的疏密程度應(yīng)該是相同的。所以，勾強電場的電場線可以用間隔相等的平行線來表示。例如，相距很近的一對帶等量異種電荷的平行金屬板(圖9.3-10)，它們之間的電場除邊緣外，可以看作勻強電場?？茖W(xué)方法用物理量之比定義新物理量在物理學(xué)中，常常用物理量之比表示研究對象的某種性質(zhì)。例如，用質(zhì)量m與體積V之比定義密度ρ，用位移l與時間t之比定義速度v，用靜電力F與電荷量q之比定義電場強度E，等等。這樣定義一個新的物理量的同時，也就確定了這個新的物理量與原有物理量之間的關(guān)系。

比值定義包含“比較”的思想。例如，在電場強度概念建立的過程中，比較的是相同電荷量的試探電荷受靜電力的大小。同學(xué)們，通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，你有什么收獲呢？謝謝大家愛心.誠心.細(xì)心.耐心，讓家長放心.孩子安心。第九章靜電場及其應(yīng)用4靜電的防止與利用問題導(dǎo)入自然界到處都有靜電。生產(chǎn)中的攪拌、擠壓、切割等活動，生活中的穿衣、脫衣、運動等過程都可能產(chǎn)生靜電。

在加油站給車加油前，為什么要觸摸一下靜電釋放器?靜電平衡如圖9.4-1甲，把一個不帶電的金屬導(dǎo)體ABCD放到電場強度為E0的電場中。由于靜電感應(yīng)，在導(dǎo)體AB側(cè)的平面上將感應(yīng)出負(fù)電荷，在CD側(cè)的平面上將感應(yīng)出正電荷。導(dǎo)體兩側(cè)出現(xiàn)的正、負(fù)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生與電場強度E0方向相反的電場，其電場強度為E’(圖9.4-1乙)。這兩個電場疊加，使導(dǎo)體內(nèi)部的電場減弱。在疊加后的電場作用下，仍有自由電子不斷運動，直到導(dǎo)體內(nèi)部各點的電場強度E=0為止(圖9.4-1丙)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再發(fā)生定向移動。這時我們說，導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡(electrostaticequilibrium)狀態(tài)。處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其內(nèi)部的電場強度處處為0。尖端放電靜電平衡時，導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈剩電荷，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面。并且在導(dǎo)體外表面，越尖銳的位置，電荷的密度(單位面積的電荷量)越大，周圍的電場強度越大。在一定條件下，導(dǎo)體尖端周圍的強電場足以使空氣中殘留的帶電粒子發(fā)生劇烈運動，并與空氣分子碰撞從而使空氣分子中的正負(fù)電荷分離。這個現(xiàn)象叫作空氣的電離。中性的分子電離后變成帶負(fù)電的自由電子和失去電子而帶正電的離子。這些帶電粒子在強電場的作用下加速，撞擊空氣中的分子，使它們進(jìn)一步電離，產(chǎn)生更多的帶電粒子。那些所帶電荷與導(dǎo)體尖端的電荷符號相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，與尖端上的電荷中和，這相當(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷(圖9.4-2)。這種現(xiàn)象叫作尖端放電。將尖銳的金屬棒安裝在建筑物的頂端，用粗導(dǎo)線與埋在地下的金屬板連接，保持與大地的良好接觸，就成為避雷針(圖9.4-3)。當(dāng)帶電的雷雨云接近建筑物時，由于靜電感應(yīng)，金屬棒出現(xiàn)與云層相反的電荷。通過尖端放電，這些電荷不斷向大氣釋放，中和空氣中的電荷，達(dá)到避免雷擊的目的。尖端放電會導(dǎo)致高壓設(shè)備上電能的損失，所以高壓設(shè)備中導(dǎo)體的表面應(yīng)該盡量光滑。夜間高壓線周圍有時會出現(xiàn)一層綠色光暈，俗稱電暈，這是一種微弱的放電現(xiàn)象。靜電屏蔽處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面。如果放入靜電場中的是一個空腔導(dǎo)體電荷分布又有什么特點呢?我們討論帶空腔的導(dǎo)體(圖9.4-4)。靜電平衡時，內(nèi)表面沒有電荷，導(dǎo)體殼壁W內(nèi)的電場強度為0，即電場線只能在空腔C之外，不會進(jìn)入空腔之內(nèi)。所以導(dǎo)體殼內(nèi)空腔里的電場強度也處處為0。也就是說，無論導(dǎo)體外部電場是什么樣的，導(dǎo)體內(nèi)部都不會有電場。導(dǎo)體殼的這種性質(zhì)在技術(shù)上很有實用價值。把一個電學(xué)儀器放在封閉的金屬殼里，即使殼外有電場，但由于殼內(nèi)電場強度保持為0，外電場對殼內(nèi)的儀器不會產(chǎn)生影響。金屬殼的這種作用叫作靜電屏蔽。演示靜電屏蔽

使帶電的金屬球靠近驗電器，但不接觸，箔片是否張開？解釋看到的現(xiàn)象。用金屬網(wǎng)把驗電器罩起來，再使帶電金屬球靠近驗電器，觀察箔片是否張開(圖9.4-5)。這個現(xiàn)象說明什么？實現(xiàn)靜電屏蔽不一定要用密封的金屬容器，金屬網(wǎng)也能起到屏蔽作用。野外高壓輸電線受到雷擊的可能性很大，所以在三條輸電線上方還有兩條導(dǎo)線，它們與大地相連，形成一個稀疏的金屬“網(wǎng)”，把高壓線屏蔽起來(圖9.4-6)，使其免遭雷擊。靜電的危害可能隨時發(fā)生。例如，醫(yī)院手術(shù)臺上，靜電火花有可能引起麻醉劑爆炸；煤礦里，靜電火花會引起瓦斯爆炸……因此，靜電的危害必須引起人們的警惕。靜電吸附靜電雖然會有危害，但也可以利用。在電場中，帶電粒子受到靜電力的作用，向著電極運動，最后會被吸附在電極上。這一原理在生產(chǎn)技術(shù)上被廣泛應(yīng)用。靜電除塵設(shè)法使空氣中的塵埃帶電，在靜電力作用下，塵埃到達(dá)電極而被收集起來，這就是靜電除塵。如圖9.4-8，靜電除塵器由板狀收集器A和線狀電離器B組成。A接到幾千伏高壓電源的正極，B接到高壓電源的負(fù)極，它們之間有很強的電場，而且距B越近，電場強度越大。B附近的空氣中的氣體分子更容易被電離，成為正離子和電子。正離子被吸到B上，得到電子，又成為分子。電子在向著正極A運動的過程中，遇到煙氣中的粉塵，使粉塵帶負(fù)電。粉塵被吸附到正極A上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。靜電除塵用于粉塵較多的各種場所，除去有害的微粒，或者回收物資，如回收水泥粉塵。靜電噴漆接負(fù)高壓的涂料霧化器噴出的油漆微粒帶負(fù)電，在靜電力作用下，這些微粒向著作為正極的工件運動，并沉積在工件的表面，完成噴漆工作。

靜電復(fù)印復(fù)印機也應(yīng)用了靜電吸附。復(fù)印機的核心部件是有機光導(dǎo)體鼓，它是一個金屬圓柱，表面涂覆有機光導(dǎo)體(OPC)①。沒有光照時，OPC是絕緣體，受到光照時變成導(dǎo)體。復(fù)印機復(fù)印的工作過程如圖9.4-9所示。當(dāng)堂練習(xí)1.一個帶電的金屬球，當(dāng)它帶的電荷量增加后(穩(wěn)定)，其內(nèi)部的電場強度(

)A.一定增強

B.不變C.一定減弱

D.可能增強，也可能減弱B2.如圖所示，將一個不帶電的金屬球A放在帶正電的點電荷Q的左側(cè)，當(dāng)金屬球達(dá)到靜電平衡時，下列判斷正確的是(

)A．金屬球?qū)a(chǎn)生出正電荷B．金屬球左側(cè)將出現(xiàn)負(fù)的凈電荷C．點電荷Q在A的球心處產(chǎn)生的場強為零D．A的內(nèi)部合場強處處為零D3.一金屬球，原來不帶電，現(xiàn)沿球的直徑的延長線放置一均勻帶電的細(xì)桿MN，如圖所示．金屬球上感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場在球內(nèi)直徑上a、b、c三點的電場強度分別為Ea、Eb、Ec，三者相比有(

)A．Ea最大B．Eb最大C．Ec最大D．Ea＝Eb＝EcC4.將懸掛在細(xì)線上的帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球C內(nèi)(不和球壁接觸)，另有一個懸掛在細(xì)線上的帶負(fù)電的小球B向C靠近，如圖，于是有()A．A往左偏離豎直方向，B往右偏離豎直方向B．A的位置不變，B往右偏離豎直方向C．A往左偏離豎直方向，B的位置不變D．A和B的位置都不變B同學(xué)們，通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，你有什么收獲呢？謝謝大家愛心.誠心.細(xì)心.耐心，讓家長放心.孩子安心。第十章靜電場中的能量1電勢能和電勢問題導(dǎo)入一個正電荷在電場中只受到靜電力F的作用，它在電場中由A點運動到B點時，靜電力做了正功WAB。由動能定理可知，該電荷的動能增加了WAB。從能量轉(zhuǎn)化的角度思考，物體動能增加了，意味著有另外一種形式的能量減少了。這是一種什么形式的能量呢?靜電力做功的特點思考與討論一個質(zhì)量為m的物體在地面某位置所受的重力是一定的，不管它怎樣運動，其所受重力的大小都等于mg，方向豎直向下(圖10.1-1甲)；一個帶正電的電荷量為q的試探電荷在勻強電場中某位置所受的靜電力也是一定的，不管它怎樣運動，其所受靜電力的大小都等于qE，方向跟電場強度E的方向相同(圖10.1-1乙)。重力做功具有跟路徑無關(guān)的特點，靜電力做功是否也具有這一特點？如圖10.1-2，在電場強度為E的勻強電場中任取A、B兩點，把試探電荷q沿兩條不同路徑從A點移動到B點，計算這兩種情況下靜電力對電荷所做的功。

再把q沿折線AMB從A點移動到B點。在q沿AM移動過程中，靜電力對q所做的功在q沿MB移動過程中，由于移動方向跟靜電力方向垂直，靜電力不做功，WMB=0.在整個移動過程中，靜電力對q所做的功所以，以上兩種不同路徑中靜電力對q所做的功是一樣的。另外，還可以使q沿任意曲線ANB從A點移動到B點(圖10.1-3)。這時，我們把曲線分成無數(shù)小段，每一小段中，設(shè)想q都從起點先沿電場方向、再沿垂直電場方向到達(dá)終點。各小段沿垂直電場方向運動時，靜電力是不做功的，各小段沿電場方向移動的位移之和等于|AM|。因此，q沿任意曲線從A點移動到B點靜電力所做的功也是可見，不論q經(jīng)由什么路徑從A點移動到B點，靜電力所做的功都是一樣的。因此，在勻強電場中移動電荷時，靜電力所做的功與電荷的起始位置和終止位置有關(guān)，與電荷經(jīng)過的路徑無關(guān)。這個結(jié)論雖然是從勻強電場中推導(dǎo)出來的，但是可以證明對非勻強電場也是適用的。電勢能我們知道，功和能量的變化密切相關(guān)。例如，重力做功等于重力勢能的減少量。節(jié)前“問題”中電荷所減少的能量，必定跟靜電力做的功相關(guān)。靜電力做功具有跟重力做功一樣的特點，即靜電力做功的多少與路徑無關(guān)，只與電荷在電場中的始、末位置有關(guān)。電荷在電場中也具有勢能，我們稱這種形式的能為電勢能

(electricpotentialenergy)，用Ep表示。這里我們又用到了通過某種力做的功來研究與它相關(guān)的能量問題的方法。如果用WAB

表示電荷由A點運動到B點靜電力所做的功，EpA

和EpB分別表示電荷在A點和B點的電勢能，它們之間的關(guān)系為當(dāng)WAB為正值時，EpA>EpB，表明靜電力做正功，電勢能減少。

當(dāng)WAB為負(fù)值時，

EpA<EpB，表明靜電力做負(fù)功，電勢能增加。

這跟重力做正功或負(fù)功時，重力勢能的變化情況相似。應(yīng)該注意，靜電力做的功只能決定電勢能的變化量，而不能決定電荷在電場中某點電勢能的數(shù)值。只有先把電場中某點的電勢能規(guī)定為0，才能確定電荷在電場中其他點的電勢能。例如，若規(guī)定圖10.1-2中的電荷在B

點的電勢能為0，則電荷在A點的電勢能數(shù)值上等于WAB。也就是說，電荷在某點的電勢能，等于把它從這點移動到零勢能位置時靜電力所做的功。通常把電荷在離場源電荷無限遠(yuǎn)處的電勢能規(guī)定為0，或把電荷在大地表面的電勢能規(guī)定為0。

重力勢能屬于地球和物體組成的系統(tǒng)，是地球和物體相互作用產(chǎn)生的。同樣，電勢能是相互作用的電荷所共有的，或者說是電荷及對它作用的電場所共有的。我們說某個電荷的電勢能，只是一種簡略的說法。多遠(yuǎn)是“無限遠(yuǎn)”？在研究靜電場的問題中，如果離場源電荷已經(jīng)很遠(yuǎn)，以至于試探電荷已經(jīng)不能探測到電場了，這點就可以算是“無限遠(yuǎn)”。電勢前面我們通過對靜電力的研究，認(rèn)識了電場強度?，F(xiàn)在我們要通過對電勢能的研究來認(rèn)識另一個物理量——電勢，它同樣是表征電場性質(zhì)的重要物理量。

有一個電場強度為E

的勻強電場（圖10.1-4），規(guī)定電荷在O點的電勢能為0。A

為電場中的任意一點，電荷q在A點的電勢能為EpA，等于電荷q由A點移動到O點的過程中靜電力所做的功，數(shù)值為WAO

。如果把一個電荷量為nq的電荷也由A點移動到O點，由于移動過程中該電荷在任何一點所受的靜電力始終是電荷量為q的電荷的n倍，它們的位移一樣，因此，移動該電荷所做的功必定是nWAO。思考與討論這個功與電荷的多少有關(guān)，顯然不能用它來表示電場某點的性質(zhì)，不過，以上分析會給我們一些啟示。請你進(jìn)一步分析，是否能找到反映電場某點性質(zhì)的物理量。由前面的分析可知，置于A

點的電荷，如果它的電荷量變?yōu)樵瓉淼膸妆叮潆妱菽芤沧優(yōu)樵瓉淼膸妆叮妱菽芘c電荷量之比卻是一定的，與放在A

點的電荷量多少無關(guān)。它是由電場中該點的性質(zhì)決定的，與試探電荷本身無關(guān)。這個結(jié)論雖然是從勻強電場得出的，但可以證明對于其他電場同樣適用。電荷在電場中某一點的電勢能與它的電荷量之比，叫作電場在這一點的電勢（electricpotential）。如果用φ表示電勢，用Ep表示電荷q的電勢能，則在國際單位制中，電勢的單位是伏特（volt），符號是V。在電場中的某一點，如果電荷量為1C的電荷在這點的電勢能是1J，這一點的電勢就是1V，即在圖10.1-4中，假如正的試探電荷沿著電場線從左向右移向O

點，它的電勢能是逐漸減少的?？梢哉f，沿著電場線方向電勢逐漸降低。與電勢能的情況相似，應(yīng)該先規(guī)定電場中某處的電勢為0，然后才能確定電場中其他各點的電勢。

在規(guī)定了零電勢點之后，電場中各點的電勢可以是正值，也可以是負(fù)值。

電勢只有大小，沒有方向，是個標(biāo)量。在物理學(xué)的理論研究中常取離場源電荷無限遠(yuǎn)處的電勢為0，在實際應(yīng)用中常取大地的電勢為0。①①與實驗室相比，地球的體積巨大。實驗器材中的電荷無論流入大地或從大地流出，對地球的電學(xué)狀態(tài)幾乎沒有影響，地球的電勢十分穩(wěn)定，通?？梢园训厍虻碾妱荻榱汶妱?。當(dāng)堂練習(xí)1.（多選）下列說法中，正確的是：()

A、把兩個同種點電荷間的距離增大一些，電荷的電勢能一定增加B、把兩個同種點電荷間的距離減小一些，電荷的電勢能一定增加C、把兩個異種點電荷間的距離增大一些，電荷的電勢能一定增加D、把兩個異種點電荷間的距離減小一些，電荷的電勢能一定增加BC2.如圖，某區(qū)域電場線左右對稱分布，M、N為對稱線上的兩點．下列說法正確的是 (

)A．M點電勢一定高于N點電勢B．M點場強一定大于N點場強C．正電荷在M點的電勢能大于在N點的電勢能D．將電子從M點移動到N點，電場力做正功AC3.將帶電荷量為6×10－6C的負(fù)電荷從電場中的A點移到B點，克服電場力做了3×10－5J的功，再從B移到C，電場力做了1.2×10－5J的功，則(1)電荷從A移到B，再從B移到C的過程中電勢能共改變了多少？(2)如果規(guī)定A點的電勢能為零，則該電荷在B點和C點的電勢能分別為多少？解析：(1)WAC＝WAB＋WBC＝(－3×10－5＋1.2×10－5)J＝－1.8×10－5J.可見電勢能增加了1.8×10－5J.(2)如果規(guī)定A點的電勢能為零，由公式得該電荷在B點的電勢能為EpB＝EpA－WAB＝0－WAB＝3×10－5J.同理，C點的電勢能為EpC＝EpA－WAC＝0－WAC＝1.8×10－5J.同學(xué)們，通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，你有什么收獲呢？謝謝大家愛心.誠心.細(xì)心.耐心，讓家長放心.孩子安心。第十章靜電場中的能量2電勢差問題導(dǎo)入如果我們要從6樓走到8樓，影響我們做功多少的因素是這兩層樓的高度差而不是樓的高度。

某個電荷在確定的電場中由A

點移動到B

點，影響靜電力做功多少的因素可能是A

點或B

點的電勢值呢？還是A、B

兩點之間電勢的差值呢？電勢差選擇不同的位置作為零電勢點，電場中某點電勢的數(shù)值也會改變，但電場中某兩點之間電勢的差值卻保持不變。

在電場中，兩點之間電勢的差值叫作電勢差（electricpotentialdifference），電勢差也叫作電壓（voltage）。設(shè)電場中A

點的電勢為φA，B點的電勢為φB，則它們之間的電勢差可以表示為也可以表示為顯然電勢差可以是正值，也可以是負(fù)值。例如，當(dāng)A

點電勢比B點電勢高時，UAB

為正值，UBA則為負(fù)值。電荷q

在電場中從A點移動到B點時，靜電力做的功WAB

等于電荷在A、B兩點的電勢能之差。由此可以導(dǎo)出靜電力做的功與電勢差的關(guān)系即因此，知道了電場中兩點的電勢差，就可以很方便地計算在這兩點之間移動電荷時靜電力做的功，而不必考慮靜電力和電荷移動的路徑。正是因為這個緣故，在物理學(xué)中，電勢的差值往往比電勢更重要。典例精析【例題】在勻強電場中把電荷量為2.0×10-9C的點電荷從A點移動到B點，靜電力做的功為1.6×10-7J。再把這個電荷從B點移動到C點，靜電力做的功為－4.0×10-7J。

（1）A、B、C

三點中，哪點電勢最高？哪點電勢最低？

（2）A、B間，B、C間，A、C間的電勢差各是多大？

（3）把電荷量為－1.5×10-9C的點電荷從A

點移動到C點，靜電力做的功是多少？

（4）根據(jù)以上結(jié)果，定性地畫出電場分布的示意圖，標(biāo)出A、B、C三點可能的位置。

解

（1）電荷從A

點移動到B

點，靜電力做正功，所以A

點電勢比B

點電勢高。電荷從B

點移動到C

點，靜電力做負(fù)功，所以C

點電勢比B

點電勢高。但C、B

之間電勢差的絕對值比A、B

之間電勢差的絕對值大，所以C

點電勢最高，A

點電勢次之，B

點電勢最低。（3）把電荷量為－1.5×10-9C的點電荷，從A

點移動到C

點時，靜電力做的功為（4）電場分布示意圖和A、B、C

三點可能的位置如圖10.2-1所示。等勢面在地圖中，常用等高線來表示地勢的高低（圖10.2-2）。與此相似，在電場的圖示中，常用等勢面來表示電勢的高低。我們把在電場中電勢相同的各點構(gòu)成的面叫作等勢面（equipotentialsurface）。與電場線的功能相似，等勢面也是用來形象地描繪電場的。等勢面與電場線有什么關(guān)系呢？在同一個等勢面上，任何兩點的電勢都相等。所以，在同一個等勢面上移動電荷時，靜電力不做功。由此可知，等勢面一定跟電場線垂直，即跟電場強度的方向垂直。這是因為，假如不垂直，電場強度就有一個沿著等勢面的分量，在等勢面上移動電荷時靜電力就要做功，這與這個面是等勢面矛盾。前面已經(jīng)說過，沿著電場線的方向，電勢越來越低。所以，概括起來就是：電場線跟等勢面垂直，并且由電勢高的等勢面指向電勢低的等勢面。這里討論等勢面與電場線的關(guān)系時用到了反證法。反證法是科學(xué)研究中重要的邏輯方法。圖10.2-3是幾種電場的等勢面和電場線。每幅圖中，兩個相鄰的等勢面間的電勢差是相等的。思考與討論電勢的高低跟重力場中位置的高低的含義有相似之處。例如，某處位置的高低跟放在該處物體的質(zhì)量無關(guān)，某點電勢的高低跟放在該點的試探電荷的電荷量無關(guān)。

由于電荷有正負(fù)之分，這就造成了二者的含義有所不同。

請討論，它們有哪些不同。例如，質(zhì)量相等的物體，處于較高位置的重力勢能較大，那么電荷量數(shù)值相等的正負(fù)電荷，處于電勢較高位置的電勢能一定較大嗎？當(dāng)堂練習(xí)1.下列說法正確的是

(

)A．電場中兩點間電勢的差值叫作電勢差，也叫作電壓B．電勢差與電勢一樣，是相對量，與零電勢點的選取有關(guān)C．UAB表示B點與A點之間的電勢差，即UAB＝φB－φAD．A、B兩點間的電勢差是恒定的，不隨零電勢點的改變而改變，所以UAB＝UBAA2.如圖所示，實線表示某靜電場的電場線，虛線表示該電場的等勢面。下列判斷正確的是()A．1、2兩點的電場強度相等B．1、3兩點的電場強度相等C．1、2兩點的電勢相等D．2、3兩點的電勢相等D3.如圖所示為某勻強電場的等勢面分布圖，每兩個相鄰等勢面相距2cm，則該勻強電場的方向為(

)A．豎直向下B．豎直向上C．水平向左D．水平向右C同學(xué)們，通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，你有什么收獲呢？謝謝大家愛心.誠心.細(xì)心.耐心，讓家長放心.孩子安心。第十章靜電場中的能量3電勢差與電場強度的關(guān)系問題導(dǎo)入如果只畫出帶電體空間分布的電場線和等勢面的剖面圖，等勢面就成了等勢線。圖中每相鄰兩條等勢線之間的電勢差是相等的。電場線密的地方等勢線也密，電場線稀疏的地方等勢線也稀疏。這是為什么呢？電場線是描述電場強度的，等勢線是描述電勢的，電場線和等勢線的疏密存在對應(yīng)關(guān)系，表明電場強度和電勢之間存在一定的聯(lián)系。下面以勻強電場為例討論它們的關(guān)系。如圖10.3-1，勻強電場的電場強度為E，電荷q從A

點移動到B

點，靜電力做的功W

與A、B

兩點的電勢差UAB

的關(guān)系為W

＝qUAB

。我們也可以從電荷q

所受的靜電力來計算功，這個力是F

＝qE

。在勻強電場中，電荷q

所受的靜電力F

是恒力，它所做的功為比較功的兩個計算結(jié)果，得到即：勻強電場中兩點間的電勢差等于電場強度與這兩點沿電場方向的距離的乘積。思考與討論在上面的討論中，如果A、B兩點不在同一條電場線上（圖10.3-2），還能得出以上結(jié)論嗎？請嘗試進(jìn)行論證。此關(guān)系式可以得到電場強度的單位是伏每米（V/m）。這個單位與前面學(xué)過的單位牛每庫（N/C）是相同的。即

1V/m＝1N/C電場強度與電勢差的關(guān)系也可以寫作它的意義是：在勻強電場中，電場強度的大小等于兩點之間的電勢差與兩點沿電場強度方向的距離之比。也就是說，電場強度在數(shù)值上等于沿電場方向單位距離上降低的電勢。

上式表明，兩相鄰等勢線之間的電勢差U

相同時，電場強度E

越大的地方，兩相鄰等勢線之間的距離d

越小，這就是電場線較密的地方等勢線也較密的原因。典例精析【例題】

如圖10.3-3，真空中平行金屬板M、N之間的距離d為0.04m，有一個2×10-15kg的帶電粒子位于M板旁，粒子的電荷量為8×10-15C，給兩金屬板加200V直流電壓。（1）求帶電粒子所受的靜電力的大小。

（2）求帶電粒子從M板由靜止開始運動到達(dá)N板時的速度。

（3）如果兩金屬板距離增大為原來的2倍，其他條件不變，

則上述問題（1）（2）的答案又如何？帶電粒子所受的靜電力的大小是4×10-11N，到達(dá)N板時的速度是40m/s；兩金屬板距離增大為原來的2倍時，靜電力的大小是2×10-11N，速度仍然是40m/s。上述例題告訴我們，當(dāng)M、N板間的距離增大時，只要它們之間的電勢差沒有變化，帶電粒子到達(dá)N板的速度大小也不會變化。這很容易運用動能定理來解釋，由靜電力做的功等于帶電粒子動能的變化，得只要加速電壓U是一定的，帶電粒子加速后所獲得的動能就是一定的。思考與討論上述例題中，M、N是兩塊平行金屬板，兩板間的電場是勻強電場。如果M、N是其他形狀，中間的電場不再均勻，例題中的三個問題還有確定答案嗎？為什么？同學(xué)們，通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，你有什么收獲呢？謝謝大家愛心.誠心.細(xì)心.耐心，讓家長放心.孩子安心。第十章靜電場中的能量4電容器的電容問題導(dǎo)入水可以用容器儲存起來，電荷也可以用一個“容器”儲存起來。圖中的元件就是這樣的“容器”——電容器。那么，它內(nèi)部的構(gòu)造是怎樣的？它是怎樣“裝進(jìn)”和“倒出”電荷的呢？電容器

電容器（capacitor）是一種重要的電學(xué)元件。在兩個相

距很近的平行金屬板中間夾上一層絕緣物質(zhì)——電介質(zhì)（空氣也是一種電介質(zhì)），就組成一個最簡單的電容器，叫作平行板電容器。這兩個金屬板叫作電容器的極板。實際上，任何兩個彼此絕緣又相距很近的導(dǎo)體，都可以看成一個電容器。實驗觀察電容器的充、放電現(xiàn)象把直流電源、電阻、電容器、電流表、數(shù)字電壓表以及單刀雙擲開關(guān)組裝成實驗電路（圖10.4-1）。把開關(guān)S接1，此時電源給電容器充電。在充電過程中，可以看到電壓表示數(shù)迅速增大，隨后逐漸穩(wěn)定在某一數(shù)值，表示電容器兩極板具有一定的電勢差。通過觀察電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向可以知道，充電時電流由電源的正極流向電容器的正極板。同時，電流從電容器的負(fù)極板流向電源的負(fù)極。隨著兩極板之間電勢差的增大，充電電流逐漸減小至0，此時電容器兩極板帶有一定的等量異種電荷。即使斷開電源，兩極板上的電荷由于相互吸引而仍然被保存在電容器中。把開關(guān)S接2，電容器對電阻R放電。觀察電流表可以知道，放電電流由電容器的正極板經(jīng)過電阻R

流向電容器的負(fù)極板，正負(fù)電荷中和。此時兩極板所帶的電荷量減小，電勢差減小，放電電流也減小，最后兩極板電勢差以及放電電流都等于0。電容器充電的過程中，兩極板的電荷量增加，極板間的電場強度增大，電源的能量不斷儲存在電容器中；放電的過程中，電容器把儲存的能量通過電流做功轉(zhuǎn)化為電路中其他形式的能量。拓展學(xué)習(xí)用傳感器觀察電容器的放電過程電流傳感器可以像電流表一樣測量電流。不同的是，它的反應(yīng)非?？欤梢圆蹲降剿查g的電流變化。此外，由于它與計算機相連，還能顯示出電流隨時間變化的I-t圖像。按照圖10.4-2甲連接電路。電源電壓為直流8V，電容器可選幾十微法的電解電容器。先使開關(guān)S與1端相連，電源向電容器充電，這個過程可在短時間內(nèi)完成。然后把開關(guān)S擲向2端，電容器通過電阻R放電，傳感器將電流信息傳入計算機，屏幕上顯示出電流隨時間變化的I-t圖像（圖10.4-2乙）一位同學(xué)得到的I-t圖像如圖10.4-3所示，電源電壓為8V。

（1）在圖中畫一個豎立的狹長矩形（在圖10.4-3的最左邊），它的面積的物理意義是什么？

（2）怎樣根據(jù)I-t圖像估算電容器在全部放電過程中釋放的電荷量？試著算一算。

如果要測繪充電時的I-t圖像，應(yīng)該怎樣連接電路？怎樣進(jìn)行測量？得到的I-t圖像可能是什么形狀？電容在圖10.4-1電容器充電的實驗中，我們看到，電容器兩極板之間的電勢差增大時，電流表的示數(shù)不為0，這表明電容器所帶的電荷量也在增加。那么，電容器所帶的電荷量跟兩極板間的電勢差是否存在某種定量關(guān)系？演示電容器兩極板間電勢差跟所帶電荷量的關(guān)系實驗電路圖如圖10.4-4所示。取一個電容器A和數(shù)字電壓表相連，把開關(guān)S1接1，用幾節(jié)干電池串聯(lián)后給A充電，可以看到A充電后兩極板具有一定的電壓。把開關(guān)S1接2，使另一個相同的但不帶電的電容器B跟A并聯(lián)（注意不要讓手或其他導(dǎo)體跟電容器的兩極板接觸，以免所帶電荷漏失），可以看到電壓表示數(shù)變?yōu)樵瓉淼囊话?；斷開開關(guān)S1，閉合開關(guān)S2，讓B的兩極板完全放電，隨后再斷開開關(guān)S2，把B和A并聯(lián)，電壓表示數(shù)再次減少一半。

還可以繼續(xù)這樣操作......以上實驗表明，電容器的電荷量變?yōu)樵瓉淼囊话霑r，其兩極板間的電勢差也變?yōu)樵瓉淼囊话搿?/p>

精確的實驗表明，一個電容器所帶的電荷量Q

與兩極板之間的電勢差U

之比是不變的。不同的電容器，這個比一般是不同的，可見電荷量Q

與電勢差U

之比表征了電容器儲存電荷的特性。這里說的“電容器所帶的電荷量Q”，是指一個極板所帶電荷量的絕對值。電容器所帶的電荷量Q

與電容器兩極板之間的電勢差U之比，叫作電容器的電容（capacitance）。用C

表示，則有上式表示，電容器的電容在數(shù)值上等于使兩極板間的電勢差為1V時電容器需要帶的電荷量，電荷量越多，表示電容器的電容越大。這類似于用不同的容器裝水。如圖10.4-5，要使容器中的水深都為1cm，橫截面積大的容器需要的水多。在國際單位制中，電容的單位是法拉（farad），簡稱法，符號是F。如果一個電容器兩極板之間的電勢差是1V時，所帶的電荷量是1C，這個電容器的電容就是1F。

實際中常用的單位還有微法（μF）和皮法（pF），它們與法拉的關(guān)系是加在電容器兩極板上的電壓不能超過某一限度，超過這個限度，電介質(zhì)將被擊穿，電容器損壞。這個極限電壓叫作擊穿電壓。電容器外殼上標(biāo)的是工作電壓，或稱額定電壓，這個數(shù)值比擊穿電壓低。拓展學(xué)習(xí)平行板電容器的電容平行板電容器是最簡單的，也是最基本的電容器。幾乎所有電容器都是平行板電容器的變形。平行板電容器的電容是由哪些因素決定的呢？我們通過以下實驗來研究。

如圖10.4-6，用靜電計①測量已經(jīng)充電的平行板電容器兩極板之間的電勢差U。

2.保持極板上的電荷量Q

不變，兩極板的正對面積S

也不變，改變兩極板間的距離d，通過靜電計指針的變化得到兩極板之間電勢差的變化。同上所述，由電勢差的變化判斷電容的變化，從而得到兩極板之間的距離d對電容C的影響（圖10.4-6乙）。3.保持Q、S、d

都不變，在兩極板間插入電介質(zhì)，例如有機玻璃板。通過靜電計指針的變化得知兩極板間電勢差的變化。同上所述，由電勢差的變化判斷電容的變化，從而得到兩極板之間電介質(zhì)的存在對電容C

的影響（圖10.4-6丙）。通過實驗可以得出如下結(jié)論：減小平行板電容器兩極板的正對面積、增大兩極板之間的距離都能減小平行板電容器的電容；而在兩極板之間插入電介質(zhì)，卻能增大平行板電容器的電容。反之亦然。理論分析表明，當(dāng)平行板電容器的兩極板之間是真空時，電容C

與極板的正對面積S、極板間的距離d的關(guān)系為式中k

為靜電力常量。當(dāng)兩極板之間充滿同一種介質(zhì)時，電容變大為真空時的εr倍，即εr是一個常數(shù)，與電介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，叫作電介質(zhì)的相對介電常數(shù)。常用電容器常用的電容器，從構(gòu)造上看，可以分為固定電容器和可變電容器兩類。固定電容器的電容是固定不變的。常用的有聚苯乙烯電容器和電解電容器。以聚苯乙烯薄膜為電介質(zhì)，把兩層鋁箔隔開，卷起來，就制成了聚苯乙烯電容器（圖10.4-7甲）。改變鋁箔的面積和薄膜的厚度，可以制成不同電容的聚苯乙烯電容器。以陶瓷為電介質(zhì)的固定電容器也很多。電解電容器（圖10.4-7乙）是用鋁箔作為一個極板，用鋁箔上很薄的一層氧化膜為電介質(zhì)，用浸過電解液的紙作為另一個極板（要靠另一片鋁箔與外部引線連接）制成的。由于氧化膜很薄，所以電容較大?？勺冸娙萜饔蓛山M鋁片組成（圖10.4-8），它的電容是可以改變的。固定的一組鋁片叫作定片，可以轉(zhuǎn)動的一組鋁片叫作動片。轉(zhuǎn)動動片，使兩組鋁片的正對面積發(fā)生變化，電容就隨著改變。超級電容器是20世紀(jì)70年代根據(jù)電化學(xué)原理研發(fā)的一種新型電容器，它的出現(xiàn)使電容器的容量得到了巨大的提升。超級電容器的充電時間短，儲存電能多，放電功率大，使用壽命長。這些優(yōu)點展現(xiàn)了它作為新型動力電源的廣闊發(fā)展前景。當(dāng)堂練習(xí)1.(多選)如圖所示，是一個由電池、電阻R與平行板電容器組成的串聯(lián)電路，先閉合開關(guān)，再斷開開關(guān)，則(

)A．電阻R中沒有電流B．極板所帶電荷量減小C．電阻R中有從a流向b的電流D．電阻R中有從b流向a的電流BC2.某一個電容器的規(guī)格是“10μF

50V”，則(

)A.這個電容器加上50V電壓時，電容才是10μFB.這個電容器的最大電容是10μF,帶電荷量較少時,電容小于10μFC.這個電容器上加的電壓不能低于50VD.這個電容器的電容總等于10μFD3.對電容

，以下說法正確的是(

)A.電容器充電電荷量越多，電容增加越大B.電容器的電容跟它兩極板間所加電壓成反比C.電容器的電容越大，所帶電荷量就越多D.對于確定的電容器，它所充的電荷量跟它兩極板間所加電壓的比值保持不變D4．一個電容器帶電荷量為Q時，兩極板間電壓為U，若使其帶電荷量增加4.0×10－7C時，它兩極板間的電勢差增加20V，則它的電容為(

)A．1.0×10－8F

B．2.0×10－8FC．4.0×10－8F

D．8.0×10－8FB5.(多選)如圖所示的各圖描述的是對給定的電容器充電時其電荷量Q、電勢差U、電容C之間相互關(guān)系的圖像，其中正確的是(

)CD6.用控制變量法，可以研究影響平行板電容器的因素(如圖)。設(shè)兩極板正對面積為S，極板間的距離為d，靜電計指針偏角為θ。實驗中，極板所帶電荷量不變，若()A．保持S不變，增大d，則θ變大B．保持S不變，增大d，則θ變小C．保持d不變，減小S，則θ變小D．保持d不變，減小S，則θ不變A7.(多選)兩塊大小、形狀完全相同的金屬平板平行放置，構(gòu)成一個平行板電容器，與它相連接的電路如圖所示。接通開關(guān)S，電源給電容器充電(

)A．保持S接通，減小兩極板間的距離，則兩極板間電場的電場強度減小B．保持S接通，在兩極板間插入一塊電介質(zhì)，則極板上的電荷量增大C．?dāng)嚅_S，減小兩極板間的距離，則兩極板間的電勢差減小D．?dāng)嚅_S，在兩極板間插入一塊電介質(zhì)，則兩極板間的電勢差增大BC8.傳感器是一種采集信息的重要器件，如圖是一種測定壓力的電容式傳感器，當(dāng)待測壓力F作用于可動膜片電極上時，可使膜片產(chǎn)生形變，引起電容的變化，將電容器、靈敏電流計和電源串連接成閉合電路，那么(

)A．當(dāng)F向上壓膜片電極時，電容將減小B．當(dāng)F向上壓膜片電極時，電容將增大C．若電流計有示數(shù)，則壓力F發(fā)生變化D．若電流計有示數(shù)，則壓力F不發(fā)生變化BC同學(xué)們，通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，你有什么收獲呢？謝謝大家愛心.誠心.細(xì)心.耐心，讓家長放心.孩子安心。第十章靜電場中的能量5帶電粒子在電場中的運動問題導(dǎo)入電子被加速器加速后轟擊重金屬靶時，會產(chǎn)生射線，可用于放射治療。圖中展示了一臺醫(yī)用電子直線加速器。

電子在加速器中是受到什么力的作用而加速的呢？帶電粒子在電場中的加速在現(xiàn)代科學(xué)實驗和技術(shù)設(shè)備中，常常利用電場來改變或控制帶電粒子的運動。利用電場使帶電粒子加速，就是其中一種簡單的情況。在這種情況中，帶電粒子的速度方向與電場強度的方向相同或相反。分析帶電粒子加速的問題，常常有兩種思路：一種是利用牛頓第二定律結(jié)合勻變速直線運動公式來分析；另一種是利用靜電力做功結(jié)合動能定理來分析。當(dāng)解決的問題屬于勻強電場且涉及運動時間等描述運動過程的物理量時，適合運用前一種思路分析；當(dāng)問題只涉及位移、速率等動能定理公式中的物理量或非勻強電場情景時，適合運用后一種思路分析。典例精析【例題1】如圖10.5-1甲，某裝置中，多個橫截面積相同的金屬圓筒依次排列，其中心軸線在同一直線上，圓筒的長度依照一定的規(guī)律依次增加。序號為奇數(shù)的圓筒和交變電源的一個極相連，序號為偶數(shù)的圓筒和該電源的另一個極相連。

交變電源兩極間電勢差的變化規(guī)律如圖10.5-1乙所示。在t＝0時，奇數(shù)圓筒相對偶數(shù)圓筒的電勢差為正值，此時位于和偶數(shù)圓筒相連的金屬圓板（序號為0）中央的一個電子，在圓板和圓筒1之間的電場中由靜止開始加速，沿中心軸線沖進(jìn)圓筒1。為使電子運動到圓筒與圓筒之間各個間隙中都能恰好使靜電力的方向跟運動方向相同而不斷加速，圓筒長度的設(shè)計必須遵照一定的規(guī)律。若已知電子的質(zhì)量為m、電子電荷量為e、電壓的絕對值為u、周期為T，電子通過圓筒間隙的時間可以忽略不計。則金屬圓筒的長度和它的序號之間有什么定量關(guān)系？第n

個金屬圓筒的長度應(yīng)該是多少？分析

如圖10.5-1，由于金屬導(dǎo)體內(nèi)部的電場強度等于0，電子在各個金屬圓筒內(nèi)部都不受靜電力的作用，它在圓筒內(nèi)的運動是勻速直線運動，只是在相鄰圓筒的間隙中才會被加速。為使電子在所有相鄰圓筒的間隙中都能受到向右的靜電力，電子所到達(dá)間隙處的電場強度都必須向左。在同一間隙中，電場強度的方向是周期性變化的，每半個周期，電場強度的方向左右變化一次。如果電子勻速穿過每個圓筒運動的時間恰好等于交變電壓的周期的一半，它就能踏準(zhǔn)節(jié)奏，每到達(dá)一個間隙，恰好該間隙的電場強度方向向左。

由于電子通過每一個間隙所增加的動能都等于eu，由此可知電子在各個圓筒內(nèi)的動能和速度，而各個圓筒的長度應(yīng)該等于電子在該圓筒中的速度大小與交變電壓的半個周期的乘積。得帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)帶電粒子的初速度方向跟電場方向垂直時，靜電力方向跟速度方向不在同一直線上，帶電粒子的運動軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

在勻強電場中，帶電粒子的運動軌跡是一條拋物線，類似平拋運動的軌跡。對這種帶電粒子運動的分析思路，跟分析平拋運動是一樣的，不同的僅僅是平拋運動物體所受的是重力，而上述帶電粒子所受的是靜電力。典例精析【例題2】如圖10.5-2，兩相同極板A與B的長度l為6.0cm，相距d為2cm，極板間的電壓U為200V。一個電子沿平行于板面的方向射入電場中，射入時的速度v0

為3.0×107m/s。把兩板間的電場看作勻強電場，求電子射出電場時沿垂直于板面方向偏移的距離y和偏轉(zhuǎn)的角度θ。分析

電子在垂直于板面的方向受到靜電力。由于電場不隨時間改變，而且是勻強電場，所以整個運動中在垂直于板面的方向上加速度是不變的。解

電子在電場中運動的加速度是（1）電子射出電場時，在垂直于板面方向偏移的距離為（2）其中t

為飛行時間。由于電子在平行于板面的方向不受力，所以在這個方向做勻速直線運動，由l＝v0t

可求得（3）把（1）（3）式代入（2）式得到代入數(shù)值后，解得y

＝0.35cm即電子射出時沿垂直于板面的方向偏離0.35cm。由于電子在平行于板面的方向不受力，它離開電場時，這個方向的分速度仍是v0（圖10.5-3），垂直于板面的分速度是則離開電場時的偏轉(zhuǎn)角度θ

可由下式確定代入數(shù)值后，解得θ

＝6.7°拓展學(xué)習(xí)示波管的原理有一種電子儀器叫作示波器，可以用來觀察電信號隨時間變化的情況。示波器的核心部件是示波管，圖10.5-4是它的原理圖。它由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏組成，管內(nèi)抽成真空。電子槍的作用是產(chǎn)生高速飛行的一束電子，前面例題2實際上講的就是示波管的原理。如果在偏轉(zhuǎn)電極XX’之間和偏轉(zhuǎn)電極YY’之間都沒有加電壓，電子束從電子槍射出后沿直線運動，打在熒光屏中心，在那里產(chǎn)生一個亮斑。示波管的YY’偏轉(zhuǎn)電極上加的是待測的信號電壓。XX’偏轉(zhuǎn)電極通常接入儀器自身產(chǎn)生的鋸齒形電壓（圖10.5-5），叫作掃描電壓。如果信號電壓是周期性的，并且掃描電壓與信號電壓的周期相同，那么，就可以在熒光屏上得到待測信號在一個周期內(nèi)隨時間變化的穩(wěn)定圖像了。同學(xué)們，通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，你有什么收獲呢？謝謝大家愛心.誠心.細(xì)心.耐心，讓家長放心.孩子安心。第十一章電路及其應(yīng)用1電源和電流問題導(dǎo)入電閃雷鳴時，強大的電流使天空不時發(fā)出耀眼的閃光，但它只能存在于一瞬間，而手電筒中的小燈泡卻能持續(xù)發(fā)光，這是為什么？電源有A、B兩個導(dǎo)體，分別帶正、負(fù)電荷。從前兩章的內(nèi)容可以知道，它們的周圍存在著電場。如果在它們之間連接一條導(dǎo)線H（圖11.1-1），導(dǎo)線H中的自由電子在靜電力的作用下沿導(dǎo)線做定向運動，形成電流。由于B失去電子，A得到電子，A、B之間的電勢差很快消失，兩導(dǎo)體成為一個等勢體，達(dá)到靜電平衡。這種情況下，導(dǎo)線H中的電流只是瞬間的。自由電子的定向運動使兩個帶電體成為等勢體，自由電子不能持續(xù)定向流動。如何才能使導(dǎo)線H中存在持續(xù)的電流呢？倘若在A、B之間連接一個裝置P（圖11.1-2），它能在B失去電子的過程中，不斷地從A取走電子，補充給B，使A