滬科版物理選修3-1

1、經(jīng)全國(guó)中小學(xué)教材審定委員會(huì) 2004 年初審?fù)ㄟ^(guò) 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū) PHYSICS 主編 束炳如 何潤(rùn)偉 上?？萍冀逃霭嫔?物 理3-1 選 修 滬科教版 親愛(ài)的同學(xué)： 歡迎你選擇學(xué)習(xí)物理3-1！ 我們?cè)?jīng)說(shuō)過(guò)，從你打開(kāi)物理課本起，你已經(jīng)開(kāi)始投身于一項(xiàng) 激動(dòng)人心的探索活動(dòng)。 讓我們繼續(xù)攜手，度過(guò)這段美好的時(shí)光。 你周?chē)澜绨l(fā)生的事情幾乎都跟物理學(xué)有關(guān)，現(xiàn)代社會(huì)的許多 技術(shù)進(jìn)步都源于對(duì)物理規(guī)律的理解和應(yīng)用。 學(xué)習(xí)物理可以使你從事 科學(xué)事業(yè)的愿望得以實(shí)現(xiàn)，甚至可以使你成為“專(zhuān)家”。 作為現(xiàn)代社 會(huì)的公民，我們要學(xué)會(huì)用物理學(xué)知識(shí)解決生活、生產(chǎn)中的許多問(wèn)題。 你已經(jīng)學(xué)習(xí)了物理1和物理2，初

2、步領(lǐng)略了物理學(xué)的魅力。 現(xiàn)在，你又跨進(jìn)了物理3-1的大門(mén)。 這里，你將經(jīng)歷探索電場(chǎng)、電 路與磁場(chǎng)的過(guò)程，體驗(yàn)物理學(xué)思想方法的威力；在科學(xué)探究和理論 思維的過(guò)程中充分施展你的才智；你將比較全面地學(xué)習(xí)電磁學(xué)的有 關(guān)知識(shí)， 了解電磁學(xué)的研究成果及其在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的廣泛應(yīng) 用，認(rèn)識(shí)電磁學(xué)與社會(huì)發(fā)展以及人類(lèi)文化的互動(dòng)作用。 為了讓你在學(xué)習(xí)物理3-1的過(guò)程中獲得更大的成功，請(qǐng)瀏覽 以下的本書(shū)欄目介紹。 每章的開(kāi)頭都有一 些情景， 提出一些問(wèn)題， 讓你明確本章研究的主 要內(nèi)容。 分析論證 在這里， 你將經(jīng)歷分析、綜 合、 應(yīng)用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行推理，從 而得出物理學(xué)規(guī)律和公式的過(guò) 程，體會(huì)到高中物理理論思維的

3、魅力。 第1章 電荷的相互作用 閃電撕裂了天空,雷霆震撼著大地。在這驚心動(dòng)魄的自然現(xiàn)象 背后，蘊(yùn)藏著許多物理原理，吸引了不少科學(xué)家進(jìn)行探究。 美國(guó)的 富蘭克林、法國(guó)的達(dá)利巴爾德（T. F. d蒺Alibard）等科學(xué)家冒著生命 危險(xiǎn)去捕捉閃電，證實(shí)了閃電與實(shí)驗(yàn)室中的電是相同的。 雷電是怎樣形成的？ 物體帶電是怎么回事？ 電荷有哪些特性？ 電荷間的相互作用遵從什么規(guī)律？ 人類(lèi)應(yīng)該怎樣利用這些規(guī)律？ 這些問(wèn)題正是本章要探究并做出解答的。 富蘭 克 林（B.Franklin， 17061790）， 美國(guó)科學(xué)家 和政治家。1752年，他冒著 生命危險(xiǎn)在雨中進(jìn)行“風(fēng)箏 實(shí)驗(yàn)”， 證明閃電與摩擦起 電的電

4、是相同的。 他還創(chuàng)造 了用“正電”和“負(fù)電”區(qū)分 兩種不同性質(zhì)的電的方法， 為定量研究電現(xiàn)象打下了 基礎(chǔ)。 圖為富蘭克林正在進(jìn) 行“風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)”。 滬科教版 家庭作業(yè)與活動(dòng) 1.有兩個(gè)半徑為r的金屬球如圖1-10放置，兩 球表面間距離為r。 今使兩球帶上等量的異 種電荷Q，兩球間庫(kù)侖力的大小為F，那么 A. F = k Q2 （3r）2搖搖搖 B. F k Q2 （3r）2搖搖搖 C. F k Q2 （3r）2搖搖搖 D.無(wú)法判定 2.盧瑟福（E. Rutherford）在粒子（氦核）散射 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)兩個(gè)原子核之間距離小到 10-15m時(shí)， 它們之間的斥力仍遵守庫(kù)侖定 律。 具有足夠高能量

5、的粒子能夠到達(dá)與金 原子核相距2.0 10-14m的地方。 請(qǐng)你算一 算，在這一距離時(shí)粒子受到金原子核的斥 力為多大？ 此力相當(dāng)于質(zhì)量多大的物體受到 的重力？ 在原子尺度內(nèi)電荷相互作用力是強(qiáng) 還是弱？ 3.現(xiàn)有兩個(gè)質(zhì)量都為1.0 10-3kg的相同的金 屬小球，分別帶有2.0 10-7C和-3.2 10-7C 的電荷： （1） 把它們放在相隔0.5 m的地方，兩小球 之間的庫(kù)侖力多大？方向如何？?jī)尚∏蛑?間的萬(wàn)有引力多大？方向如何？比較兩種 力的大小， 說(shuō)明研究帶電體之間的靜電 力作用時(shí)， 為什么可以不考慮萬(wàn)有引力 的作用。 （2） 使兩小球接觸后再放回相距0.5 m的原 位置，兩小球之間的庫(kù)

6、侖力多大？方向如 何？ 4.相距L的點(diǎn)電荷A、B的帶電量分別為+4Q和 -Q： （1） 若A、B電荷固定不動(dòng)，在它們連線的中 點(diǎn)放入帶電量為+2Q的電荷C， 電荷C 受到的靜電力是多少？ （2） 若A、B電荷是可以自由移動(dòng)的，要在它 們之間引入第三個(gè)電荷D， 使三個(gè)點(diǎn)電 荷都處于平衡狀態(tài)，求電荷D的電量和 放置的位置。 5.兩個(gè)質(zhì)量都為3.0 10-4kg的導(dǎo)體球，分別 被兩根長(zhǎng)0.04 m的絲線吊在同一點(diǎn)上。 讓它 們帶上等量同種電荷后， 兩球互相排斥，至 圖1-10 rrr 信息瀏覽、欄目 這里為你提供了各種有趣、 有用的 資料，包括物理學(xué)史上的經(jīng)典事例、科學(xué) 家小故事等，它們反映了物理學(xué)

7、與科學(xué)、 技術(shù)、社會(huì)的緊密聯(lián)系。 你的視野將更開(kāi) 闊，你會(huì)更加熱愛(ài)科學(xué)。 家庭作業(yè)與活動(dòng) 這里為你提供了豐富多彩的學(xué)習(xí)活 動(dòng)，讓你通過(guò)回顧進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，加深對(duì) 知識(shí)的理解，提高解決有關(guān)問(wèn)題的能力， 體驗(yàn)到成功的喜悅。 圖2-38觀察帶電油滴在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏移 實(shí)驗(yàn)探究觀察帶電油滴在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏移 在圖2-38所示的實(shí)驗(yàn)中， 兩塊金屬板分別與起電機(jī)的正負(fù) 極連接。 在注射器中注入縫紉機(jī)油，用導(dǎo)線把注射器針頭與負(fù)極 金屬板連接起來(lái)。 搖動(dòng)起電機(jī)后，推動(dòng)注射器活塞，將機(jī)油水平射 入兩金屬板之間的勻強(qiáng)電場(chǎng)，觀察帶電油滴的運(yùn)動(dòng)情況。 實(shí)驗(yàn)探究 ?這里將要求你提出問(wèn)題，設(shè) 計(jì)實(shí)驗(yàn)方案， 動(dòng)手做一些有意義

8、 的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行科學(xué)探究。 地名 水平磁感應(yīng)強(qiáng)度/ 104T 北京 0.289 沈陽(yáng) 0.277 蘭州 0.312 上海 0.333 武漢 0.343 成都 0.356 廣州 0.375 課題研究 估測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度 沿自由小磁針在地面靜止的位置所作的豎直平面叫做地磁子午面。 當(dāng)有其他磁場(chǎng)影響時(shí)，磁 針就會(huì)偏離原來(lái)所在的地磁子午面。 這時(shí)，我們可以根據(jù)小磁針偏離原磁子午面的偏角大小來(lái)估 測(cè)其他磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量Be隨緯度的不同而不同，以下列出我國(guó)幾個(gè)地區(qū)的Be值。 請(qǐng)你上網(wǎng)、 到圖書(shū)館或有關(guān)單位調(diào)查當(dāng)?shù)?的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度， 然后參照?qǐng)D5-15進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)，估測(cè)出

9、圖中條形磁鐵軸線上各點(diǎn) 的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 茲 =etan茲 圖5-15 課題研究 這里提供了一些課題供你 選擇研究，這種研究會(huì)讓你的才 智得到充分的展示。 多學(xué)一點(diǎn)電介質(zhì)中的庫(kù)侖定律 電介質(zhì)就是絕緣體。 空氣、煤油、玻璃、橡膠、瓷器等都是電介 質(zhì)。 如果把兩個(gè)點(diǎn)電荷放在電介質(zhì)中，電荷間的靜電力將比在真 空中小，而且放在不同的電介質(zhì)中，力的大小也不同。 在電介質(zhì) 中,庫(kù)侖定律的表達(dá)式為 F = k q1q2 r2 式中叫做介電常數(shù)。 同一種電介質(zhì)的是確定的。 下表是幾種 電介質(zhì)的介電常數(shù)。 電介質(zhì)空氣煤油石蠟陶瓷玻璃云母水 介電常數(shù)1.000522.0264 116 881 多學(xué)一點(diǎn) 這里有更多更

10、深的奧秘， 將進(jìn)一步開(kāi)闊你的視野。 你如 果有興趣， 可以作進(jìn)一步的探 索。 信息瀏覽 在庫(kù)侖定律發(fā)現(xiàn)之前， 曾有科學(xué)家猜想電荷間 相互作用力類(lèi)似于萬(wàn)有引力， 甚至通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)相 當(dāng)準(zhǔn)確地得出了電荷間相互作用力跟電荷之間距離 的平方成反比的關(guān)系。 1769年，英國(guó)醫(yī)生約翰魯濱遜（J. Robinson）首 次通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定兩種電荷的斥力跟它們之間距離的 2.06次方成反比，但這一結(jié)果很晚才發(fā)表出來(lái)。 1772年，英國(guó)物理學(xué)家卡文迪許（H. Cavendish） 通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論分析，給出了電力反比于 距離的（21 50）次方的報(bào)告（未公布于世）。 后來(lái)，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋（J. C.

11、Maxwell） 也用與卡文迪許類(lèi)似的方法， 得出了電力反比于距 離的（2 1 21600）次方的結(jié)果。 庫(kù)侖定律是電學(xué)的基本規(guī)律， 其中的二次方反 比關(guān)系是否精確地成立至關(guān)重要。 庫(kù)侖定律發(fā)表以 后， 科學(xué)家用越來(lái)越精確的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)二次方 反比關(guān)系。1971年進(jìn)行的一次實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果與二 次方反比關(guān)系的偏差小于2.7 10-16。 發(fā)現(xiàn)庫(kù)侖定律的前前后后 滬科教版 第章電荷的相互作用6 1 目 錄 11 靜電現(xiàn)象與電荷守恒7 12 探究電荷相互作用規(guī)律11 13 靜電與生活?16 21 探究電場(chǎng)的力的性質(zhì)24 22 研究電場(chǎng)的能的性質(zhì) （ 一）31 23 研究電場(chǎng)的能的性質(zhì) （ 二）35

12、 24 電容器電容39 25 探究電子束在示波管中的運(yùn)動(dòng)45 附錄熟悉示波器的面板49 31 學(xué)習(xí)使用多用電表?55 32 研究電流、電壓和電阻60 33 探究電阻定律64 34 多用電表電路分析與設(shè)計(jì)?68 35 邏輯電路與集成電路70 第章電場(chǎng)與示波器?232 第章從電表電路到集成電路?54 3 滬科教版 4 第章探究閉合電路歐姆定律76 4 探究閉合電路歐姆定律?76 42 測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻?82 43 典型案例分析85 44 電路中的能量轉(zhuǎn)化與守恒?89 5 磁與人類(lèi)文明?96 52 怎樣描述磁場(chǎng)?100 53 探究電流周?chē)拇艌?chǎng)?104 54 探究安培力?110 55 探究洛倫

13、茲力116 56 洛倫茲力與現(xiàn)代科技121 研究課題示例131 評(píng)價(jià)表132 總結(jié)與評(píng)價(jià)課題研究成果報(bào)告會(huì)131 第章磁場(chǎng)與回旋加速器965 滬科教版 第1章 電荷的相互作用 閃電撕裂了天空,雷霆震撼著大地（圖1-1）。 在這驚心動(dòng)魄的 自然現(xiàn)象背后，蘊(yùn)藏著許多物理原理，吸引了不少科學(xué)家進(jìn)行探 究。 美國(guó)的富蘭克林、法國(guó)的達(dá)利巴爾德（T. F. d蒺Alibard）等科學(xué) 家冒著生命危險(xiǎn)去捕捉閃電， 證實(shí)了閃電與實(shí)驗(yàn)室中的電是相 同的。 雷電是怎樣形成的？ 物體帶電是怎么回事？ 電荷有哪些特性？ 電荷間的相互作用遵從什么規(guī)律？ 人類(lèi)應(yīng)該怎樣利用這些規(guī)律？ 這些問(wèn)題正是本章要探究并做出解答的。

14、圖1-1電閃雷鳴 富蘭 克 林（B.Franklin， 17061790）， 美國(guó)科學(xué)家 和政治家。1752年，他冒著 生命危險(xiǎn)在雨中進(jìn)行“風(fēng)箏 實(shí)驗(yàn)”， 證明閃電與摩擦起 電的電是相同的。 他還創(chuàng)造 了用“正電”和“負(fù)電”區(qū)分 兩種不同性質(zhì)的電的方法， 為定量研究電現(xiàn)象打下了 基礎(chǔ)。 圖為富蘭克林正在進(jìn) 行“風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)”。 滬科教版 第1章電荷的相互作用 圖1-3氟-19原子模型 11 靜電現(xiàn)象與電荷守恒 實(shí)驗(yàn)表明，用絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒和用毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒 都能吸引輕小物體， 我們通常說(shuō)它們帶了電或有了電荷（electric charge）。 物理學(xué)中規(guī)定，用絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒所帶的電荷叫做

15、 正電荷（positive charge）；用毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒所帶的電荷叫做 負(fù)電荷（negative charge）。 自然界中只存在這兩種電荷；同種電荷 相互排斥，異種電荷相互吸引。 物體起電的原因 分析論證摩擦起電的原因 用絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒和用毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒（圖1-2）都 帶了電，這是什么原因呢？ 原來(lái)，物體是由分子、原子組成的；原子是由帶正電的原子核 和帶負(fù)電的電子組成的（圖1-3）。 在兩個(gè)不同物體相互摩擦的過(guò) 程中， 兩個(gè)物體中都有一些電子脫離原子核的束縛而轉(zhuǎn)移到對(duì) 方。 在通常情況下，兩個(gè)不同材料的物體彼此向?qū)Ψ睫D(zhuǎn)移的電子 數(shù)不相等。 失去電子的物體就顯示出帶正電；得到電

16、子的物體就 顯示出帶負(fù)電。 這就是說(shuō)，摩擦起電并不是摩擦創(chuàng)生電荷，而是使 物體中的正負(fù)電荷重新分配。 物體是否帶電，可以用驗(yàn)電器來(lái)檢驗(yàn)（圖1-4）。驗(yàn)電器的金屬 球通過(guò)金屬桿跟可轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬指針相連。 當(dāng)帶電的玻璃棒或橡膠 a梳過(guò)干燥頭發(fā)的塑料梳子能吸引輕 小物體 b用毛皮摩擦橡膠棒 圖1-2 電荷的正負(fù)是相對(duì)的， 哪一種叫做“正”，哪一種叫 做“負(fù)”，都是可以的。 現(xiàn)行的 這種命名法是富蘭克林首先 提出的， 國(guó)際上一直沿用至 今。 7 滬科教版 圖1-4用驗(yàn)電器檢驗(yàn)物體是否帶電 棒接觸金屬球時(shí)，指針就會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。 你能用電荷間相互作用的知識(shí)，解釋驗(yàn)電器帶電后金屬指針 為什么偏轉(zhuǎn)嗎？ 物體

17、所帶電荷的多少叫做電荷量，簡(jiǎn)稱(chēng)電荷或電量。 在國(guó)際 單位制中，電荷量的單位是庫(kù)侖（coulomb），簡(jiǎn)稱(chēng)庫(kù)，用C表示。 正 電荷的電荷量用正值表示，負(fù)電荷的電荷量用負(fù)值表示。 實(shí)驗(yàn)探究感應(yīng)起電 在用驗(yàn)電器檢驗(yàn)玻璃棒或橡膠棒是否帶電的實(shí)驗(yàn)中，你是否 發(fā)現(xiàn)，只要帶電棒靠近驗(yàn)電器的金屬球，驗(yàn)電器的指針就會(huì)發(fā)生 偏轉(zhuǎn)（圖1-5）。 再用手接觸一下驗(yàn)電器的金屬球，然后移走帶電 棒，驗(yàn)電器的指針仍然保持某一偏轉(zhuǎn)角度。 這是怎么回事呢？ 實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)帶電的物體靠近一個(gè)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體的電荷分 布會(huì)發(fā)生變化，顯示出帶電現(xiàn)象。 物理學(xué)中把這種現(xiàn)象叫做靜電 感應(yīng)（electrostatic induction）。

18、利用靜電感應(yīng)使物體帶電叫做感應(yīng) 起電。 在上述實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中， 如果帶正電荷的物體靠近金屬球時(shí)， 導(dǎo)體中的自由電子就被吸引過(guò)來(lái)，球上出現(xiàn)多余的負(fù)電荷；驗(yàn)電 器指針上則帶有正電荷，使指針偏轉(zhuǎn)。 請(qǐng)思考一下，當(dāng)帶有負(fù)電荷的物體靠近金屬球時(shí)，指針上帶 什么電荷？ 為什么？ 電荷守恒 ?電荷守恒 摩擦起電和感應(yīng)起電的過(guò)程，都是電荷從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另 一個(gè)物體，或從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分的過(guò)程。 圖1-5靜電感應(yīng) 在金屬導(dǎo)體中， 金屬原 子最外層的電子比較容易擺 脫原子核的束縛在原子間自 由運(yùn)動(dòng)， 這種電子叫做自由 電子。 金屬導(dǎo)體中存在著大 量可以自由移動(dòng)的自由電 子。 + - - + + + +

19、8 滬科教版 第1章電荷的相互作用 有機(jī)玻璃棒 有機(jī)玻璃板塑料板 圖1-6 b箔片驗(yàn)電器 箔片驗(yàn)電器通常是在金 屬導(dǎo)桿下貼一條或掛兩條金 屬箔片， 其原理與指針驗(yàn)電 器相同。 下面讓我們做一個(gè)如圖1-6所示的實(shí)驗(yàn)。 手持起電板柄，用力將兩塊起電板快速摩擦后分開(kāi)，將其中 一塊板插入箔片驗(yàn)電器上端的空心金屬球（不要接觸金屬球），接 著抽出這塊板，再將兩塊板同時(shí)插入空心金屬球。 你觀察到怎樣 的現(xiàn)象？ 請(qǐng)你解釋實(shí)驗(yàn)中所發(fā)生的現(xiàn)象。 大量事實(shí)表明，電荷既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，只能從 一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，或者從物體的一個(gè)部分轉(zhuǎn)移到另 一個(gè)部分，在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，電荷的總量不變。 這個(gè)結(jié)論叫做電荷

20、守恒定律（law of conservation of charge）。 近代科學(xué)研究表明，電荷守恒定律不僅在一切宏觀過(guò)程中 成立，在微觀過(guò)程中也成立。 因此，電荷守恒定律是物理學(xué)中普 遍適用的規(guī)律。 ?元電荷 自然界中電荷的總量是守恒的。 原子核中的每個(gè)質(zhì)子和核 外每個(gè)電子所帶的電荷量有多少？ 它們是不是自然界中最小的 電荷單元呢？ 美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家密立根（R. A. Millikan）設(shè)計(jì)了如圖1-7 所示的實(shí)驗(yàn)。 將兩塊水平放置的金屬板分別與電源的正、負(fù)極 相接，兩板便帶上異種電荷。 用噴霧器噴入霧狀帶電油滴，當(dāng)帶 電油滴進(jìn)入兩平板間時(shí)，調(diào)節(jié)兩板間電壓，使帶電油滴受到的 電力與重力平衡，

21、由此就可以求出油滴所帶的電荷量。 密立根 不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，取得了上千組測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這些霧狀油 滴所帶電荷量總是某一個(gè)元電荷（elementary charge）的整數(shù)倍。 a起電板 9 滬科教版 圖1-7密立根油滴實(shí)驗(yàn)示意圖 霧化劑 電池 帶電平板 顯微鏡 油滴 帶電平板 元電荷的精確測(cè)定， 在理論和實(shí)踐上都有重要 意義。 密立根在元電荷的測(cè)量和光電效應(yīng)的研究上 做出了杰出的貢獻(xiàn)，因而榮獲1923年的諾貝爾物理 學(xué)獎(jiǎng)。 密立根的油滴實(shí)驗(yàn)， 證明了微小粒子的帶電量 不是連續(xù)變化的，電荷量總是某個(gè)元電荷的整數(shù)倍， 電荷量遵循量子變化規(guī)律。 1964年，蓋爾曼（M. Gell鄄Mann）等人提出

22、的夸 克模型認(rèn)為， 質(zhì)子和中子等， 分別由具有- 1 3 e和 2 3 e的夸克（quark）組成，這表明，電荷可以是e的 1 3 或 2 3 的倍數(shù)。 這也已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 這里電荷量 仍是量子化的。 現(xiàn)代物理研究發(fā)現(xiàn)，除了通常帶負(fù)電的電子外， 自然界還存在著帶正電的電子， 這種帶正電的電子 被叫做正電子（positron）。 當(dāng)一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電 子在一定的條件下互相靠近時(shí)會(huì)發(fā)生“湮滅”，同時(shí) 產(chǎn)生兩個(gè)或三個(gè)不帶電的光子。 而當(dāng)一個(gè)高能光子 與一個(gè)原子核相碰時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)電子。這就 是說(shuō)，在微觀過(guò)程中，正負(fù)電子總是成對(duì)產(chǎn)生或成對(duì) “湮滅”，系統(tǒng)中電荷的總量不會(huì)改變。 信息瀏覽 1.

23、請(qǐng)你列舉一些日常生活中摩擦和感應(yīng)兩種起 電方法的事例。 2.如果用驗(yàn)電器檢驗(yàn)直接用手拿著摩擦后的金 屬棒是否帶電，那么金屬棒帶電嗎？怎樣才能 使摩擦后的金屬棒帶電？ 3.算一算，多少個(gè)電子所帶的電荷量之和是 1C。 4.A、B、C、D四個(gè)球都帶電，A球能排斥B球，C 球能吸引A球，D球又排斥C球。 已知D球 帶正電，則B球應(yīng)帶何種性質(zhì)的電？ 5.有A、B、C三個(gè)用絕緣柱支撐的相同導(dǎo)體球， A帶正電，電荷量為q，B和C不帶電。 討論 用什么辦法能使： （1）B、C都帶等量的正電；（2）B、C都帶負(fù) 電；（3）B、C帶等量的異種電荷；（4）B帶 3 8 q正電。 進(jìn)一步研究表明， 這個(gè)“元電荷”就

24、是電子所帶的電荷，一般用 e表示。1986年國(guó)際計(jì)量大會(huì)推薦的元電荷值為e = 1.60217733 10-19C，通常取e = 1.6 10-19C。 家庭作業(yè)與活動(dòng) 電荷量子化與正電子 電子的電荷量e跟電子 的質(zhì)量me之比，叫做電子的 比荷。 它是一個(gè)重要的物理 常量。 電子的質(zhì)量me= 9.1 10-31kg，因此，電子的比荷為 e me = 1.761011C / kg 10 滬科教版 第1章電荷的相互作用 探究電荷相互作用規(guī)律 人類(lèi)很早就發(fā)現(xiàn)了電現(xiàn)象。 但長(zhǎng)期以來(lái)，由于社會(huì)生產(chǎn)力的 發(fā)展還沒(méi)有提出應(yīng)用電力的需要，同時(shí)人們研究電的規(guī)律沒(méi)有較 精密的測(cè)量?jī)x器，所以人們對(duì)電的認(rèn)識(shí)一直處于定

25、性的水平。 直 到18世紀(jì)中葉， 人們才開(kāi)始對(duì)電荷之間的相互作用規(guī)律進(jìn)行定 量的研究。 決定電荷相互作用的因素 實(shí)驗(yàn)探究探究電荷相互作用規(guī)律 電荷間相互作用力的大小跟哪些因素有關(guān)？ 請(qǐng)你參照?qǐng)D1-8 所示裝置，按以下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)： （1） 用摩擦起電的方法分別讓球形導(dǎo)體A和通草球B帶上 同種電荷，并使球形導(dǎo)體A與通草球B處在同一水平面上。 （2） 不斷改變球形導(dǎo)體A的電荷量， 觀察懸線與豎直線偏 角的變化。 （3） 保持球形導(dǎo)體A和通草球B上的電荷量不變， 改變球形 導(dǎo)體A與通草球B之間的距離，觀察懸線與豎直線偏角的變化。 請(qǐng)根據(jù)你觀察的現(xiàn)象，通過(guò)分析得出結(jié)論。 電學(xué)中第一個(gè)定律庫(kù)侖定律 定量

26、研究的困難 18世紀(jì)中葉以前，研究電荷間的作用力存在三大困難：一是 這種作用力非常小，沒(méi)有足夠精密的測(cè)量器具；二是那時(shí)連電量 的單位都沒(méi)有，當(dāng)然就無(wú)法比較電荷的多少了；三是帶電體上電 荷的分布不清楚，難以確定相互作用的電荷之間的距離。 請(qǐng)思考一下，看看你有沒(méi)有好的方法來(lái)解決這些困難。 12 圖1-8探究電荷相互作用規(guī) 律的實(shí)驗(yàn)裝置 AB 11 滬科教版 圖1-9 庫(kù)侖（C. Coulomb，1736 1806），法國(guó)軍事工程師、物 理學(xué)家、科學(xué)院院士。 他從 事摩擦力和電磁力的研究， 設(shè)計(jì)制作庫(kù)侖扭秤并發(fā)現(xiàn) 庫(kù)侖定律。 b庫(kù)侖扭秤原理圖 庫(kù)侖的探究 法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵鼋?jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究 ，較好地解決了

27、這些困難。 為測(cè)量電荷間微小的作用力，庫(kù)侖發(fā)明了一種扭秤，后人將 這種扭秤稱(chēng)為庫(kù)侖扭秤。1785年，庫(kù)侖在電力定律一文中寫(xiě)道： “這種扭秤能非常準(zhǔn)確地測(cè)量物體上的電力，即使它僅帶少量的電?！?庫(kù)侖扭秤的結(jié)構(gòu)如圖1-9a所示。 其主要部件是一根彈性扭 絲（細(xì)金屬或石英絲），上端由懸頭G夾持固定，下端懸掛一根絕 緣橫桿。 桿的一端裝有用來(lái)帶電的小球A， 另一端裝一平衡小球 B。 另外還有一固定小球C。 當(dāng)彈性扭絲處于自然狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)懸 頭G， 使A與C接觸。 當(dāng)C球帶電時(shí)，A、C之間的斥力使橫桿轉(zhuǎn) 動(dòng)。 當(dāng)A、C間斥力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)作用與扭絲彈力的作用達(dá)到平衡 時(shí)，橫桿就靜止在某一角度上（圖1-9b）

28、。 根據(jù)這一角度，便可測(cè)出 帶電小球間的斥力。 為了使物體的電量按實(shí)驗(yàn)的需要而改變，庫(kù)侖根據(jù)對(duì)稱(chēng)性原 理，用兩個(gè)相同的金屬球，讓其中一個(gè)帶上電荷q，另一個(gè)不帶電， 把它們接觸后分開(kāi)。 由于“對(duì)稱(chēng)”關(guān)系，這兩個(gè)金屬球的電量均應(yīng) 為 q 2 。 若再用第三個(gè)相同的金屬球與帶電荷 q 2 的金屬球接觸，然 后分開(kāi)，這兩個(gè)金屬球的電荷均應(yīng)為 q 4 ，依此類(lèi)推。 這樣，就可以 保證實(shí)驗(yàn)中金屬球的電荷量成倍變化。 庫(kù)侖根據(jù)電荷在金屬球表面上均勻分布的特點(diǎn)，把金屬球上 的電荷想象成集中在球心的“點(diǎn)電荷”。 這樣就解決了測(cè)量帶電體 之間距離的問(wèn)題。 扭絲 小球B A C 帶電小球 O a庫(kù)侖扭秤結(jié)構(gòu)示意圖

29、扭絲 庫(kù)侖把球形帶電體看做 “點(diǎn)電荷” 是一種理想化做 法。 當(dāng)兩個(gè)帶電體之間的距 離比它們本身的尺寸大得多 時(shí)，帶電體可看作是一個(gè)點(diǎn)， 即“點(diǎn)電荷”。 12 滬科教版 第1章電荷的相互作用 A、C兩球距離距離比扭秤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角比 36個(gè)刻度1361 18個(gè)刻度 1 2 144?4 8.5個(gè)刻度 1 4 575.516 注：第3組數(shù)據(jù)略有偏差，庫(kù)侖分析是因?yàn)槁╇娝隆?庫(kù)侖當(dāng)時(shí)得到的幾組數(shù)據(jù) 庫(kù)侖定律 1785年，庫(kù)侖在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：真空 中兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷之間相互作用力的大小，跟它們的電荷量q1 與q2的乘積成正比，跟它們的距離r的平方成反比，作用力的方 向沿著它們的連線。

30、 這就是庫(kù)侖定律（Coulomb蒺s law），它的數(shù)學(xué) 表達(dá)式為 F = k q1q2 r?2 式中k是一個(gè)常量，叫做靜電力常量（electrostatic force constant）。 這種電荷間的相互作用力叫做庫(kù)侖力或靜電力。 在國(guó)際單位制 中，電荷量的單位是庫(kù)侖（C），力的單位是牛頓（N），距離的單 位是米（m），則由實(shí)驗(yàn)可得出 k = 9.0 109Nm2/C2 庫(kù)侖定律雖僅適用于計(jì)算點(diǎn)電荷間的作用力，但對(duì)任意帶電 體來(lái)說(shuō)，如果知道電荷的分布情況，利用庫(kù)侖定律和力的合成法 則即可求出帶電體之間的作用力。 庫(kù)侖定律是電磁學(xué)中的一個(gè)基本定律，它的建立使電磁學(xué)進(jìn) 入了定量研究的階段，使

31、電磁學(xué)真正成為了一門(mén)科學(xué)。 從18世紀(jì) 末到19世紀(jì)初這一段時(shí)期，由于數(shù)學(xué)的應(yīng)用，有關(guān)靜電學(xué)和靜磁 學(xué)的研究取得了很有意義的進(jìn)展。 案例分析 案例已知?dú)湓雍说馁|(zhì)量m1= 1.7 10-27kg,電子的質(zhì)量 m2= 9.1 10-31kg，核外電子與氫原子核間的距離r = 0.53 10-10m。 試求氫原子核與核外電子間的庫(kù)侖力和萬(wàn)有引力之比。 分析氫原子核與核外電子間的庫(kù)侖力F1和萬(wàn)有引力F2分 別為 13 滬科教版 F1= k q1q2 r?2 F2= G m1m2 r?2 所以，代入數(shù)據(jù)便可求得F1和F2。 顯然， F1 F?2 = kq1q2 Gm1m2 上式中k = 9.0 109

32、Nm2/C2，G = 6.67 10-11Nm2/kg2，q1= q2= 1.6 10-19C。 代入上式，得 F1 F?2 = 2.3 1039 可以看出，氫原子核與核外電子間的庫(kù)侖力為它們間萬(wàn)有引 力的2.3 1039倍。 因此，在研究微觀帶電粒子間的相互作用時(shí)，常 ?？梢院雎匀f(wàn)有引力。 多學(xué)一點(diǎn)電介質(zhì)中的庫(kù)侖定律 電介質(zhì)就是絕緣體。 空氣、煤油、玻璃、橡膠、瓷器等都是電介 質(zhì)。 如果把兩個(gè)點(diǎn)電荷放在電介質(zhì)中，電荷間的靜電力將比在真 空中小，而且放在不同的電介質(zhì)中，力的大小也不同。 在電介質(zhì) 中,庫(kù)侖定律的表達(dá)式為 F = k q1q2 r2 式中叫做相對(duì)介電常數(shù)。 同一種電介質(zhì)的是確定的

33、。 下表是 幾種電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。 電介質(zhì)空氣煤油石蠟陶瓷玻璃云母水 相對(duì)介電常數(shù)1.00052264 116 881 信息瀏覽 在庫(kù)侖定律發(fā)現(xiàn)之前， 曾有科學(xué)家猜想電荷間 相互作用力類(lèi)似于萬(wàn)有引力， 甚至通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)相 當(dāng)準(zhǔn)確地得出了電荷間相互作用力跟電荷之間距離 的平方成反比的關(guān)系。 1769年，英國(guó)醫(yī)生約翰魯濱遜（J. Robinson）首 次通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定兩種電荷的斥力跟它們之間距離的 2.06次方成反比，但這一結(jié)果很晚才發(fā)表出來(lái)。 1772年，英國(guó)物理學(xué)家卡文迪許（H. Cavendish） 通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論分析，給出了電力反比于 距離的（2 1 50）次方的報(bào)告（未公布于

34、世）。 后來(lái)，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋（J. C. Maxwell） 也用與卡文迪許類(lèi)似的方法， 得出了電力反比于距 離的（2 1 21600 ）次方的結(jié)果。 庫(kù)侖定律是電學(xué)的基本規(guī)律， 其中的二次方反 比關(guān)系是否精確地成立至關(guān)重要。 庫(kù)侖定律發(fā)表以 后， 科學(xué)家用越來(lái)越精確的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)二次方 反比關(guān)系。1971年進(jìn)行的一次實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果與二 次方反比關(guān)系的偏差小于2.7 10-16。 發(fā)現(xiàn)庫(kù)侖定律的前前后后 14 滬科教版 第1章電荷的相互作用 課題研究 驗(yàn)證電荷的分配規(guī)律 給你一只指針驗(yàn)電器、一臺(tái)感應(yīng)起電機(jī)（參見(jiàn)第19頁(yè)旁批）和兩個(gè)帶有絕緣柄的大小相同 的金屬球，請(qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，粗略驗(yàn)證

35、電荷在兩個(gè)相同金屬球之間等量分配的原理。 （1） 說(shuō)明實(shí)驗(yàn)原理，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)步驟。 （2） 按實(shí)驗(yàn)步驟操作，并寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 1.有兩個(gè)半徑為r的金屬球如圖1-10放置，兩 球表面間距離為r。 今使兩球帶上等量的異 種電荷Q，兩球間庫(kù)侖力的大小為F，那么 A. F = k Q2 （3r）2 搖搖搖B. F k Q2 （3r）2 搖搖搖 C. F k Q2 （3r）2 搖搖搖D.無(wú)法判定 2.盧瑟福（E. Rutherford）在粒子（氦核）散射 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)兩個(gè)原子核之間距離小到 10-15m時(shí)， 它們之間的斥力仍遵守庫(kù)侖定 律。 具有足夠高能量的粒子能夠到達(dá)與金 原子核相距2.0 10-14

36、m的地方。 請(qǐng)你算一 算，在這一距離時(shí)粒子受到金原子核的斥 力為多大？ 此力相當(dāng)于質(zhì)量多大的物體受到 的重力？ 3.現(xiàn)有兩個(gè)質(zhì)量都為1.0 10-3kg的相同的金 屬小球，分別帶有2.0 10-7C和-3.2 10-7C 的電荷： （1） 把它們放在相隔0.5 m的地方，兩小球 之間的庫(kù)侖力多大？方向如何？?jī)尚∏蛑?間的萬(wàn)有引力多大？方向如何？比較兩種 力的大小， 說(shuō)明研究帶電體之間的靜電 力作用時(shí)， 為什么可以不考慮萬(wàn)有引力 的作用。 （2） 使兩小球接觸后再放回相距0.5 m的原 位置，兩小球之間的庫(kù)侖力多大？方向如 何？ 4.相距L的點(diǎn)電荷A、B的帶電量分別為+4Q和 -Q： （1） 若

37、A、B電荷固定不動(dòng)，在它們連線的中 點(diǎn)放入帶電量為+2Q的電荷C， 電荷C 受到的靜電力是多少？ （2） 若A、B電荷是可以自由移動(dòng)的，要在通 過(guò)它們的直線上引入第三個(gè)電荷D，使 三個(gè)點(diǎn)電荷都處于平衡狀態(tài)， 求電荷D 的電量和放置的位置。 5.兩個(gè)質(zhì)量都為3.0 10-4kg的導(dǎo)體球，分別 被兩根長(zhǎng)0.04 m的絲線吊在同一點(diǎn)上。 讓它 們帶上等量同種電荷后， 兩球互相排斥，至 圖1-11所示位置平衡。 （1） 試求兩球間靜電力的大小和導(dǎo)體球所帶 的電量。 （2） 如果讓其中一個(gè)小球的電荷量減少一半， 而另一個(gè)小球的電荷量加倍， 小球還能 在原位置平衡嗎？ 家庭作業(yè)與活動(dòng) 圖1-11 圖1-1

38、0 rrr 15 滬科教版 靜電與生活 自然界到處都有靜電。 生產(chǎn)中的擠壓、切割、攪拌和過(guò)濾，生 活中的起立、行走、穿衣和脫衣等過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生靜電。 靜電給我們的工作與生活帶來(lái)了什么影響？ 我們應(yīng)如何“趨 其利，避其害”呢？ 雷電與避雷 自然界產(chǎn)生雷電主要原因是云層的相互摩擦，導(dǎo)致了云層間 異種電荷大量集聚。 靠近地面的云層中電荷的大量集聚，會(huì)使地 面因靜電感應(yīng)而引起電荷集聚。 云層之間、云層與地面之間會(huì)形 成幾百萬(wàn)伏以上的電壓。 這個(gè)電壓足以擊穿空氣（使空氣電離）， 產(chǎn)生幾十萬(wàn)安培的瞬間電流。 電流生熱使空氣發(fā)光產(chǎn)生閃電，空 氣受熱突然膨脹發(fā)出巨響形成雷聲。 云層與地面之間的雷電會(huì)對(duì)我們的生命

39、財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生威脅，甚至 帶來(lái)巨大的損失。 那么，如何避免雷電的危害呢？ 我國(guó)大約從漢代起，人們就注意到長(zhǎng)兵器尖端在大氣中的放 電現(xiàn)象。 古代人們利用這種現(xiàn)象，在許多建筑物上安裝了既有避 雷作用，又有裝飾作用的塔剎構(gòu)件和殿脊吻獸（圖1-12），這就是 現(xiàn)代避雷針的雛形。 現(xiàn)代建筑上的避雷針如圖1-13所示。 實(shí)驗(yàn)探究避雷針為什么能避雷 用如圖1-14所示的感應(yīng)圈， 可以觀察 “實(shí)驗(yàn)室中的雷電現(xiàn) 象”，幫助我們理解避雷針能避雷的原理。 將兩枚放電針?lè)謩e安裝 在感應(yīng)圈的接線柱上， 再將低壓電源的8 10 V直流電接在感應(yīng) 圈上，閉合開(kāi)關(guān)，適當(dāng)調(diào)節(jié)感應(yīng)圈上振動(dòng)簧片的位置（有些感應(yīng)圈 會(huì)自動(dòng)完成這一操作），

40、就可以觀察到火花放電的現(xiàn)象。 請(qǐng)比較火花放電圖景與雷電時(shí)看到的閃電圖景。 它們有哪些 13 圖1-12古建筑上的避雷針 b殿脊吻獸 龍吻脊 豎帶 吻座 鐵叉 a慶州白塔塔剎構(gòu)件 華蓋 鐵桿 寶珠 相輪火焰 鐵鏈 銅力士 圖1-13現(xiàn)代建筑上的避雷針 16 滬科教版 第1章電荷的相互作用 感應(yīng)圈可以在兩接線柱 之間產(chǎn)生幾萬(wàn)伏的電壓。 安 裝放電針之后， 兩針尖端附 近的空氣就會(huì)被擊穿， 形成 放電電流。 注意！ 感應(yīng)圈通電后，切 勿用手觸摸放電針。 圖1-14火花放電現(xiàn)象 相似之處？ 試用放電針?lè)烹姷默F(xiàn)象說(shuō)明避雷針的原理。 靜電與現(xiàn)代科技 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 人們對(duì)靜電特性的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入，

41、靜電的應(yīng)用范圍也越來(lái)越寬廣。 用靜電凈化空氣 圖1-15是電子空氣凈化器的工作原理示意圖。 電子空氣凈 化器利用風(fēng)扇將空氣送入機(jī)內(nèi)。 空氣流經(jīng)正負(fù)電極間時(shí)，首先經(jīng) 過(guò)帶正電的網(wǎng)格，這時(shí)帶負(fù)電的煙塵等微粒被吸附在其上。 接著， 空氣又通過(guò)帶負(fù)電的網(wǎng)格，這時(shí)帶正電的煙塵等微粒被吸附在其 上。 最后，活性炭過(guò)濾器再將空氣中的剩余塵粒過(guò)濾一遍，把潔凈 的空氣送入室內(nèi)。 靜電提高噴灑農(nóng)藥效果 噴灑農(nóng)藥的飛機(jī)上安裝有靜電噴嘴。 靜電噴嘴內(nèi)裝有一根帶 正電的針， 噴灑過(guò)程中農(nóng)藥水珠離開(kāi)噴嘴時(shí)會(huì)帶有大量正電荷。 由于與大地相連的農(nóng)作物的葉子一般都帶負(fù)電，帶正電的農(nóng)藥水 珠噴灑到農(nóng)作物上時(shí)，就被吸附在葉子上，不

42、會(huì)被風(fēng)吹走（圖1- 16）。 圖1-15電子空氣凈化器工作原理示意圖 潔凈空氣 活性炭過(guò)濾器 未經(jīng)處理 的空氣 帶正電的網(wǎng)格 網(wǎng)格 帶正電塵粒 帶負(fù)電塵粒 帶負(fù)電的網(wǎng)格 未經(jīng)處理 的空氣 圖1-16利用靜電噴灑農(nóng)藥示意圖 針 噴嘴 帶正電的水 17 滬科教版 ?靜電復(fù)印 靜電復(fù)印機(jī)的使用已經(jīng)很普遍。 它的基本工作原理是：激光 掃描原稿上的文字或圖案，經(jīng)反射，聚焦在攜帶靜電的硒鼓上。 激 光掃描到原稿上的空白處， 硒鼓上相應(yīng)部位的靜電荷就被消除， 留在硒鼓上的靜電荷就形成了原稿上的文字或圖案。 墨粉被硒鼓 上的靜電吸引，被轉(zhuǎn)移到復(fù)印紙上并被加熱固定，復(fù)印紙上就出 現(xiàn)了原稿上的文字或圖案。 圖1-

43、17用圖解的方式展示了這一過(guò) 程。 圖1-17靜電復(fù)印機(jī)結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程圖解 dabc 硒鼓 硒鼓 硒鼓 硒鼓 硒鼓從復(fù)印紙上滾過(guò) 復(fù)印出來(lái)的文稿 正電荷吸上墨粉 要復(fù)印的原稿 有文字的地方 保留正電荷 燈光掃描原 稿上的文字 先使硒鼓帶 上正電荷 復(fù)印紙 硒鼓 要復(fù)印的原稿 掃描器 硒鼓 硒鼓 復(fù)印紙 送紙滾桿 復(fù)印文稿 加熱器 被帶電荷的圖像 區(qū)吸引的墨粉 攜帶電荷 的圖像區(qū) 成品 原稿 鏡頭 反射鏡 ?靜電植絨 實(shí)驗(yàn)探究靜電植絨 參照?qǐng)D1-18所示的裝置準(zhǔn)備器材，進(jìn)行安裝，然后進(jìn)行如下 模擬靜電植絨的操作： 18 滬科教版 第1章電荷的相互作用 圖1-18靜電植絨實(shí)驗(yàn)裝置 A B 感應(yīng)起電

44、機(jī)利用靜電感 應(yīng)，使兩個(gè)萊頓瓶（參閱第2 章信息瀏覽）不斷集聚電荷， 從而在兩放電球之間形成極 高的電壓。 把兩塊金屬圓板 分別接在兩個(gè)放電球上，兩 塊金屬板就分別帶上異號(hào)的 電荷。 1.用蘸上膠水的毛筆在硬紙片上寫(xiě)字、作畫(huà)，再用夾子將此 硬紙片固定在金屬圓板A下面（有字畫(huà)的一面朝下）。 2.將各種顏色的細(xì)碎紙屑均勻撒在金屬圓板B上，調(diào)整兩塊 金屬板之間的距離，使之為4 5 cm。 3.用導(dǎo)線將兩塊金屬板分別接到感應(yīng)起電機(jī)的兩個(gè)放電球 上，轉(zhuǎn)動(dòng)起電機(jī)，觀察“靜電植絨”的過(guò)程。 近年來(lái)，靜電的應(yīng)用已開(kāi)始在海水淡化、人工降雨、低溫冷凍 等方面大顯身手，甚至在宇宙飛船上也安裝有靜電加料裝置。 請(qǐng)你在

45、課后上網(wǎng)收集有關(guān)靜電應(yīng)用方面的資料并與同學(xué)開(kāi) 展交流。 靜電的危害及控制 無(wú)論是在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中， 還是在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，隨 時(shí)都可能發(fā)生因靜電作用而引起的危害。 下表列出了一些因靜電 作用而造成的危害。 靜電力作用的不良后果 誗電視機(jī)的熒屏表面容易 吸附灰塵，使圖像的清晰度和亮 度下降。 誗混紡衣服上常出現(xiàn)不易 拍掉的灰塵。 誗印刷廠里， 紙頁(yè)之間因 靜電而黏合，給印刷帶來(lái)不便。 誗制藥廠里， 因靜電吸引 塵埃，使藥品達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)純度。 靜電火花引起的危害 誗醫(yī)院手術(shù)臺(tái)上，靜電火花 會(huì)引起麻醉劑爆炸。 誗煤礦里，靜電火花會(huì)引起 瓦斯爆炸。 誗在航天工業(yè)里，靜電放電 會(huì)干擾航天器的運(yùn)行，甚至

46、會(huì)造成 火箭和衛(wèi)星發(fā)射的失敗。 誗在石化工業(yè)里，因靜電放 電引起的事故屢見(jiàn)不鮮。 當(dāng)人們認(rèn)識(shí)到靜電危害的起因后，各種防止靜電危害的措施 便應(yīng)運(yùn)而生。 例如在工業(yè)生產(chǎn)中，改造起電強(qiáng)烈的工藝環(huán)節(jié)，采用起電較 少的設(shè)備和抗靜電材料；用導(dǎo)線將設(shè)備接地，把電荷導(dǎo)入大地；適 當(dāng)增加工作環(huán)境的濕度以讓靜電隨時(shí)釋放等。 圖1-19所示是用 抗靜電材料包裝電子產(chǎn)品，圖1-20所示是飛機(jī)加油時(shí)，飛機(jī)與加 油車(chē)之間安裝的接地裝置。 空氣與飛機(jī)摩擦使飛機(jī)帶上正電，如果電荷量積累到一定程 度就會(huì)向大地放電，在放電的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生放電火花，引起火災(zāi) 19 滬科教版 圖1-19用抗靜電材料包裝電子產(chǎn)品圖1-20飛機(jī)加油 或

47、爆炸事故。 為了避免事故，飛機(jī)在加油前，往往要用接地的金屬 導(dǎo)線把油車(chē)和飛機(jī)連接起來(lái)。 1.觀察你身邊發(fā)生的靜電現(xiàn)象，分析產(chǎn)生的原 因。 2.分析保鮮膜在使用過(guò)程中，為什么會(huì)常常吸 附在手上。 3.靜電的應(yīng)用有多種，如靜電除塵、靜電噴涂、 靜電植絨、靜電復(fù)印，它們共同的物理原理 是： 讓帶電的物質(zhì)微粒在_力作用 下，“奔向”并吸附到_電極上。 4.把帶電體上產(chǎn)生的靜電荷移走可以防止靜電 荷積累而造成的危害。 下列措施中，采取了 上述方法的是 A.油罐車(chē)后面裝一條拖地鐵鏈 B.電工鉗柄上套有絕緣膠套 C.飛機(jī)上安裝接地電纜 D.印染車(chē)間里保持適當(dāng)?shù)臐穸?5.請(qǐng)你上網(wǎng)或去圖書(shū)館收集關(guān)于防止雷電危害

48、 的資料，寫(xiě)一篇科普?qǐng)?bào)告。 信息瀏覽 在沙特阿拉伯腹地的哈迪巖村， 居住著牧羊人 拉西德 馬特利一家。1986年開(kāi)齋節(jié)的一天中午，他 家的一間毛氈房突然失火， 火被妻子和女兒及時(shí)撲 滅。 第二天，一間內(nèi)室又突然起火。 地方政府派人調(diào) 查，未找到起火原因，只是建議他搬家。 于是他遷到 離哈迪巖村30 km的哈斯渥， 在那里支起了兩頂帳 篷。不料有一天，妻子、女兒居住的帳篷又起火了，而 且他放在汽車(chē)?yán)锏囊患蚱ひ路矡o(wú)緣無(wú)故地自燃 起來(lái)。馬特利家中的怪事引起了科學(xué)界的重視，人們 把這種無(wú)名火叫做馬特利現(xiàn)象。 目前科學(xué)界對(duì)此問(wèn)題的猜想很多， 其中得到較 多人認(rèn)同的是：干燥的冬天，差不多每個(gè)人的身體與

49、 地之間的電壓都要上升到幾千伏，在10萬(wàn)人中就會(huì) 有一個(gè)人的皮膚特別干燥，因此，他身體與大地之間 的電壓就特別高，甚至可以達(dá)到幾萬(wàn)伏。具有這種特 征的人是十分危險(xiǎn)的， 如果放電火花遇到空氣中的 易燃?xì)怏w，就會(huì)引發(fā)火災(zāi)。 馬特利現(xiàn)象的原因是否與人體靜電有關(guān)？ 你的 猜想是什么呢？ 家庭作業(yè)與活動(dòng) 奇怪的馬特利現(xiàn)象 20 滬科教版 第1章電荷的相互作用 1x A組 1.打開(kāi)自來(lái)水龍頭，慢慢調(diào)節(jié)龍頭，使水流變得很 細(xì)，再用摩擦過(guò)的塑料棒靠近細(xì)水流，你發(fā)現(xiàn)了 什么？ 解釋你所觀察到的現(xiàn)象。 2.用毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒靠近用絕緣細(xì)線懸掛的 輕小軟木球， 請(qǐng)按照?qǐng)D1-21所示的裝置做一 做。 除了觀察到軟木

50、球被吸引以外，你還發(fā)現(xiàn)了 什么現(xiàn)象？ 用學(xué)過(guò)的知識(shí)解釋這些現(xiàn)象。 3.請(qǐng)你盡可能多地找一些不同材料制成的物體， 如塑料片、紙板、玻璃、毛線、腈綸絲、石蠟、鉛筆 桿等，分別讓它們相互摩擦，比較這些物體得失 電子的難易程度。 4.有同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)驗(yàn)證庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)： 讓兩 個(gè)軟木球帶電， 用絕緣絲線將其中一個(gè)球懸掛 起來(lái)，另一個(gè)球裝在絕緣柄上，使它們處在同一 水平高度上，保持某一水平距離，如圖1-22所 示。 這時(shí)，只要測(cè)出懸掛球偏離豎直方向上的角 度，就能算出庫(kù)侖力。他認(rèn)為：保持兩球帶電 量q1、q2不變，改變它們之間的水平距離r，保 持兩球水平距離不變，改變兩球的帶電量q1、q2， 只要收集這

51、兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)， 就可以驗(yàn)證庫(kù)侖 定律。 （1） 請(qǐng)你利用測(cè)出的角度，根據(jù)共點(diǎn)力的平衡 條件，推導(dǎo)庫(kù)侖力和角之間的關(guān)系式。 （2） 怎樣讓兩個(gè)軟木球帶上等量同種電荷？ 又 怎樣改變它們的電荷量？ （3） 怎樣測(cè)量?jī)汕蛑g的水平距離？ 為什么要 這樣測(cè)量？ 5.某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)驗(yàn)證電荷守恒定律的實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1-23所示。 實(shí)驗(yàn)步驟如下： （1） 用一根金屬桿連接兩只相同的驗(yàn)電器， 讓 帶電的有機(jī)玻璃棒靠近金屬桿的一端，兩 只驗(yàn)電器的箔片均張開(kāi)，為什么？ （2） 在兩只驗(yàn)電器的箔片均張開(kāi)的情況下， 先 移走金屬桿，再移走帶電的有機(jī)玻璃棒，這 時(shí)驗(yàn)電器的箔片是否保持張開(kāi)狀態(tài)？ 為什 么？ （

52、3） 再用金屬桿連接兩只驗(yàn)電器，將會(huì)出現(xiàn)什 么現(xiàn)象？ 這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了什么？ 這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)?驗(yàn)證電荷守恒定律嗎？ 為什么？ B組 1.下面是幾個(gè)有趣的靜電實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)你動(dòng)手做一做， 體驗(yàn)一下做實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣。 （1） 靜電間歇噴泉 取一根尖嘴玻璃管（尖嘴內(nèi)徑0.50.8mm）， 管的另一端用橡皮管與自來(lái)水龍頭相連。 玻璃 圖1-21 圖1-22 第1章家庭作業(yè)與活動(dòng) 圖1-23 21 滬科教版 管尖嘴口朝上，并固定在鐵支架上，如圖1-24 所示。 打開(kāi)水龍頭，使尖嘴噴射出高15 20cm 的噴泉， 用帶電的有機(jī)玻璃棒置于噴泉上方約 30cm處，你會(huì)觀察到斷續(xù)噴射的噴泉。想一想， 出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因是什么？

53、 （2） 自動(dòng)蓬松的腈綸線 取一小團(tuán)腈綸線，剪40根長(zhǎng)為80cm的線 段，梳理整齊后，兩端用粗銅絲扎緊，讓腈綸線 松松地懸于木架的兩只羊眼圈上， 如圖1-25a 所示。再用一枝鉛筆按在線上，用力快速來(lái)回摩 擦幾下。移開(kāi)鉛筆后，你會(huì)觀察到腈綸線向四周 蓬松，呈橄欖狀，如圖1-25b所示。 請(qǐng)你解釋這 個(gè)現(xiàn)象。 若用沾少量水的脫脂棉在腈綸線上從 左至右揩一下，再用鉛筆重復(fù)摩擦，它們?cè)僖膊?會(huì)呈現(xiàn)橄欖狀了，這又是什么原因？ （3） 人體不僅能產(chǎn)生數(shù)千伏靜電壓，而且能承 受數(shù)千伏到數(shù)萬(wàn)伏的靜電壓， 下面請(qǐng)你嘗試一 下人體靜電實(shí)驗(yàn)。 晚上，取一根8 W日光燈管，用干凈布 將燈管上的灰揩去。左手握住燈管一

54、端，右手捏 住燈管管身并來(lái)回連續(xù)摩擦，燈管就會(huì)閃光。不 信，你就試一試，想一想為什么。 請(qǐng)你站在聚苯乙烯絕緣板上，手握8W 日光燈管的一個(gè)電極， 讓伙伴手握塑料薄膜或 化纖布，反復(fù)在你身上拍打。再找另一位伙伴握 住8W日光燈管的中間或另一個(gè)電極， 若在暗 室里或晚上，你會(huì)發(fā)現(xiàn)日光燈管發(fā)光。請(qǐng)你與你 的伙伴們?cè)囈辉?，仔?xì)觀察現(xiàn)象并加以解釋。 2.真空中，帶電荷量分別為+Q和-Q的點(diǎn)電荷A、 B相距r，在距A、B電荷都為r的地方放置帶電 荷量為+Q的點(diǎn)電荷C。 求： （1） 點(diǎn)電荷C所受的靜電力。 （2） 點(diǎn)電荷A所受的靜電力。 3.把一個(gè)點(diǎn)電荷的電荷量Q分為兩部分q1和q2， 使點(diǎn)電荷q1和q2

55、相距一定的距離。 問(wèn)：q1和q2 滿足什么關(guān)系時(shí)，它們之間的庫(kù)侖斥力達(dá)到最 大值？ 圖1-24 圖1-25 木架子 羊眼圈 腈綸線 ab 22 滬科教版 第2章 電場(chǎng)與示波器 a J2459型示波器 示波器（oscilloscope）在電子技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，它可以 形象地顯示和測(cè)量有關(guān)電學(xué)量及其變化情況。 示波器的工作原理 是，用電信號(hào)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)來(lái)控制電子束的運(yùn)動(dòng)，使電子束打 在熒光屏上不同的位置，從而顯示出電信號(hào)變化的圖像。 那么： 電場(chǎng)具有什么性質(zhì)？ 如何研究電場(chǎng)？ 電場(chǎng)對(duì)場(chǎng)中電荷會(huì)產(chǎn)生什么作用？ 如何利用電場(chǎng)控制場(chǎng)中電荷的運(yùn)動(dòng)？ 本章由電荷的相互作用引入電場(chǎng)，從電場(chǎng)力的性質(zhì)和能的

56、性 質(zhì)兩方面較全面地研究電場(chǎng)，接著在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上探究電容器的特 性，最后以示波管為例，分析帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，并初步學(xué) 習(xí)示波器的使用方法，為今后學(xué)習(xí)電磁學(xué)奠定基礎(chǔ)。 b波形 圖2-1示波器 滬科教版 21 探究電場(chǎng)的力的性質(zhì) 搖搖庫(kù)侖定律揭示了電荷間的相互作用規(guī)律，那么，電荷間的相 互作用是靠什么傳遞的呢？ 電場(chǎng) 搖搖在萬(wàn)有引力定律發(fā)現(xiàn)之后，引力作用靠什么傳遞這一問(wèn)題就 一直困擾著人們。牛頓時(shí)代的人認(rèn)為，引力作用和電荷相互作用 可以不需要任何中介，也不需要花時(shí)間，就能夠由一個(gè)物體傳遞 到另一個(gè)物體，這就是所謂“超距作用”的觀點(diǎn)。 搖搖19世紀(jì)30年代，法拉第在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了“近距

57、作 用” 的觀點(diǎn)。 他認(rèn)為， 電荷周?chē)嬖谥伤a(chǎn)生的電場(chǎng)（electric field），處在電場(chǎng)中的其他電荷受到的作用力，就是這個(gè)電場(chǎng)給予 的。電荷間的相互作用是靠電場(chǎng)來(lái)傳遞的。在法拉第研究的基礎(chǔ) 上，麥克斯韋建立了完整的電磁場(chǎng)理論?，F(xiàn)在，場(chǎng)的概念已經(jīng)成為 現(xiàn)代物理學(xué)中最重要的基本概念之一。 搖搖場(chǎng)是物質(zhì)存在的一種形態(tài)。凡是有電荷的空間，周?chē)痛嬖?著電場(chǎng)，其基本性質(zhì)是能夠?qū)?chǎng)中的電荷有力的作用，這個(gè)力叫 做電場(chǎng)力（electric field force）。 搖搖本章只討論相對(duì)于觀察者靜止的電荷的電場(chǎng)，這種電場(chǎng)叫做 靜電場(chǎng)（electrostatic field）。 怎樣描述電場(chǎng) 定量描

58、述電場(chǎng) 為了研究電場(chǎng)的力的性質(zhì)，我們需要在電場(chǎng)中引入一個(gè)試探 電荷（test charge），然后考察試探電荷的受力情況。 試探電荷是一種理想化的物理模型。 試探電荷的電荷量和尺 在物理學(xué)中出現(xiàn)了一個(gè) 新的概念， 這是牛頓時(shí)代以 來(lái)最重要的發(fā)明：場(chǎng)。 用來(lái)描 寫(xiě)物理現(xiàn)象最重要的不是帶 電體，也不是粒子，而是帶電 體之間與粒子之間的空間中 的場(chǎng)， 這需要很大的科學(xué)想 像力才能理解。 愛(ài)因斯坦 電場(chǎng)是由電荷產(chǎn)生的， 我們把產(chǎn)生電場(chǎng)的電荷稱(chēng)為 場(chǎng)源電荷（或稱(chēng)源電荷）。 24 滬科教版 第2章電場(chǎng)與示波器 寸都必須充分小，以致可忽略對(duì)原來(lái)電場(chǎng)的影響，同時(shí)又能確切 地反映它在電場(chǎng)中的位置。 分析論證定量研究電場(chǎng)的力的性質(zhì) 假設(shè)我們所研究的電場(chǎng)是由點(diǎn)電荷+Q所產(chǎn)生的，則定量研究 電場(chǎng)的力的性質(zhì)可分為兩步進(jìn)行。 1.如圖2-2所示，把電量為+q的試探電荷分別放在電場(chǎng)中 的A、B、C各處 （設(shè)rA= 3rC，rB= 2rC）， 計(jì)算電場(chǎng)對(duì)+q的電場(chǎng)力 FA、FB、FC。 可以發(fā)現(xiàn)，同一試探電荷q在電場(chǎng)中不同點(diǎn)受到的電場(chǎng)力不 同，其比值 F q 也不同。 圖2-3點(diǎn)電荷電場(chǎng)研究 試探電荷 圖2-2點(diǎn)電荷電場(chǎng)研究 Q 2.如圖2-3所示，把電量分別為+q、+2q、+3q的試探電荷依 次放在電場(chǎng)中的同一點(diǎn)，計(jì)算電場(chǎng)對(duì)它們的電場(chǎng)力F