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【高中物理】电荷及其守恒定律!干货!

环球物理  · 公众号  · 物理  · 2017-05-17 22:48

正文



公元前600年左右,古希腊哲学家泰勒斯记录,琥珀与猫毛摩擦以后,琥珀会吸引像羽毛一类的轻微物体,假若摩擦时间够久,甚至会有火花出现。泰勒斯是西方思想史上第一个有记载留下名字的思想家,被称为“科学和哲学之祖”。

1600年英国医生威廉·吉尔伯特(英国女王伊丽莎白一世的御医),指出琥珀不是唯一可以经过摩擦而产生静电的物质,他根据希腊文琥珀(ηλεκτορν)引入“电的”(electric)一词。吉尔伯特还发明了第一只验电器。而“电子”这一名称是由物理学家斯通尼在1891年作为电化学中电荷的单位采用的,原意是定出的一个电的基本单位的名称。

1733年法国人查尔斯·杜菲将电分为两种,玻璃电和琥珀电,并发现这两种电会彼此相互抵销。他宣称:电是由"正"(来自拉丁文"vitreous")和"负"(来自拉丁文"resinous")两种流体组成的。

【规律 1 自然界只有两种电荷,物理学中规定:用丝绸摩擦过的玻璃棒带 正电荷 ;用毛皮摩擦过的硬橡胶棒带 负电荷 .带有 同种 电荷的物体 相互排斥 ,带有 异种 电荷的物体 相互吸引 .带有等量异种电荷的物体相互接触会发生 中和现象 .带电体的 三个共同特点 是:具有吸引轻小物体的性质;能使验电器金属箔张角发生变化;带电体之间有相互作用力.

起电的三种方式:

使物体起电的方法有三种:摩擦起电、接触起电、感应起电

1 )摩擦起电 :两种不同的物体原子核束缚电子的能力并不相同.两种物体相互摩擦时,束缚电子能力强的物体就会得到电子而带负电,束缚电子能力弱的物体会失去电子而带正电.( 正负电荷的分开与转移

2 )接触起电 :带电物体由于缺少 ( 或多余)电子,当带电体与不带电的物体接触时,就会使不带电的物体上失去电子(或得到电子),从而使不带电的物体由于缺少(或多余)电子而带正电(负电).( 电荷从物体的一部分转移到另一部分

3 )感应起电 :当带电体靠近导体时,导体内的自由电子会向靠近或远离带电体的方向移动.( 电荷从一个物体转移到另一个物体

三种起电的方式不同,但实质都是发生电子的转移,使多余电子的物体(部分)带负电,使缺少电子的物体(部分)带正电.在电子转移的过程中,电荷的总量保持不变。

富兰克林是美国著名科学家、外交家、政治家,他是同时签署美国三项最重要法案文件《独立宣言》、《1783年巴黎条约》和《美国宪法》的建国先贤。而他的墓碑上只有简单的一句话:“印刷工富兰克林”。

富兰克林十岁时就离开了学校,回家帮父亲做蜡烛,一生只在学校读了这两年书。十二岁时,他到哥哥经营的小印刷所当学徒,自此他当了近十年的印刷工人,但他的学习从未间断过,他从伙食费中省下钱来买书。同时,利用工作之便,他结识了几家书店的学徒,将书店的书在晚间偷偷地借来,通宵达旦地阅读,第二天清晨便归还。他阅读的范围很广,从自然科学、技术方面的通俗读物到著名科学家的论文以及名作家的作品都是他阅读的范围。

【规律 2 电荷既不会创生,也不会消灭,它只会从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一部分.在转移过程中,电荷的总量不变,这个规律叫做 电荷守恒定律.

表述2:在一个与外界没有电荷交换的系统内,正、负电荷的代数和保持不变。

例:有两个完全相同的带电绝缘金属小球A、B,分别带电荷量为QA=6.4×10-9 C,QB=-3.2×10-9 C,让两个绝缘小球接触,在接触过程中,电子如何转移并转移了多少?

【思路点拨】 当两个完全相同的金属球接触后,根据对称性,两个球一定带等量的电荷量.若两个球原先带同种电荷,电荷量相加后均分;若两个球原先带异种电荷,则电荷先中和再均分.

关于这个实验的的瑕疵和此后实验数据,著名物理学家诺贝尔奖获得者理查 · 费曼曾经在 1974 年,在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(收录于《别闹了,费曼先生!》)演说中讲到:

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:把这些资料数据跟时间画成坐标图,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。


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,这有悖于科学精神。通过这个例子,费曼描述某些事物貌似科学,却遗漏了 科学的品德,也就是进行科学思考时必须遵守的诚实原则


另外, 1927 年我国著名物理学家赵忠尧赴美国加州理工学院深造,罗伯特 · 密立根教授就是他的研究生导师。

规律 科学实验发现的最小电荷量就是电子所带的电荷量,质子、正电子与它带等量的电荷,但符号相反,人们把这个最小的电荷量叫做 元电荷 e 1.60 × 10 19 C. 。(元电荷就是带电荷量足够小的带电体吗?提示:不是,元电荷是一个抽象的概念,不是指的某一个带电体,它是指电荷的电荷量.另外任何带电体所带电荷量是







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