初中科学论文：关于带电体吸引轻小物体的思考.docx

关于带电体吸引轻小物体的思考 在引入电荷的概念的时候，往往教师会引导学生用毛皮摩擦过的橡胶棒或者丝绸摩擦过的玻璃棒来吸引轻小物体，以次来感受静电。然而为什么带电体能吸引轻小物体呢？带电体任何情况下都能够吸引轻小物体么？吸引轻小物体后，一定会排斥开么？下面我就这几个问题做一一阐述。一静电感应如图1如果被吸引的轻小物体是导体，由于导体内部存在大量的自由电荷。在外电场的作用下，自由电子运动方向与外电场方向相反。远离带电体的一端出现和带电体相同的电荷，而在靠近带电体的一端出现了异种电荷，这就是静电感应现象。在外电场的作用下，轻小物体的两侧产生了等量的异种电荷。由库仑定律可知，库仑力的大小与距离的平方成反比。所以，靠近 图1带电体的异种电荷所产生的引力，要大远离带电体的同种电荷的斥力。所以轻小物体就被带电体所吸引。二电介质极化模型 如果被吸引的是绝缘体，例如小纸片，那能否同样用静电感应来解释呢？显然不可以，因为绝缘体中的电子都被原子核仅仅束缚住，其中几乎没有可以自由移动的电子，自然而然的就无法在两端形成等量异种电荷。所以吸引小纸片一定不是静电感应造成的。2.1电偶极子如图2所示，当两个等量的异号点电荷和之间的距离很短时，他们组成的系统称为电偶极子。一般我们用电偶极距来描述电偶极子的特征，其中为两个电荷之间的距离。通常我们取负电荷指 图2向正电荷的方向为电偶极矩的正方向。2.2电场作用下的电偶极子运动分析2.2.1在匀强电场作用下的电偶极子 如图3所示，电偶极子处于一个匀强电场中，其电偶极矩与电场存在一个夹角。那么作用在电偶极子两个电荷上面的力和的大小相等，即。同时和方向相反，所以电偶极子受到的合力为0。因此电偶极 图3子不会在水平方向上发生运动。尽管如此，但是由于和没有在同一条直线上，所以和是力偶。他们讲产生转动效应。他们受到的力偶距为： 在这个力偶距的作用下，电偶极子发生旋转，直到电偶极子的电偶极矩转到和外电场同向时，力偶局距为0，物体达到静止状态。2.2.2在非匀强电场作用下的电偶极子如图4所示，在一个非匀强电场中，假设处的场强大小为，在处的场强大小为，其中。他们受到的电场力,。所以电偶极子所受的合力大小为 图4 可以看出，合力方向为电场变强的方向，即物体会向电场强度大的地方运动。另一方面，电偶极子受到的力偶距为在电偶极子中很短，所以对应的也很小，故略去这个小量。即，该结果与电偶极子在匀强电场中的表现形式相同，他同样会使电偶极矩转向外电场方向。综上可知，在匀强电场中，电偶极子不会发生平动，只会发生转动。而在非匀强电场中，电偶极子不仅会发生转动，同时，还会向着电场强度大的地方运动。三电介质在电场中的作用众所周知，任何物体对外都不显电性。原因是物体内部带正电的质子数和带负电的电子数相同，整个物体的电荷代数和为0。每个质子，电子所处的位置不同，当研究的距离比起每个分子或原子的半径大得多的时候，我们可以用一个负点电荷来等效所有负电荷所产生的效果，我们可以称他为“重心”。例如，两个相距一短距离的两个电子，可以用一个处在两者中间的一个电荷来等效。那么同样的，我们也可以将所有的质子用某处的一个正电荷来等效。当两个等效的位置不重合时，变形成了一个电偶极子。3.1无极分子的极化像四氯化碳这样的分子，他的所有电子等效的位置和所有质子等效的位置是重合的，所以正常情况下，这样的分子是没法形成电偶极子的。那么当这些分子处在电场中时会出现什么样的现象呢？如图5，当这些分子处在外电场中时，在电场力的作用下，正负“重心”向相反的方向运动一小段距离，他们的“重心”不再重合，每一个分子形成电偶极子。根据前面的推导，我们已经知道，电偶极子在外电场的作用下，会发生转动，尽可能和外电场的方向一致。所以如图，一个一个的电偶极子会沿着外电场方向排列成一条一条的“链子”。从图中可以看出，处于中间的电 图5偶极子，正负电荷相互靠近，因此，在其内部将保持电中性。但是，在垂直外电场的两端，会产生两个相反的电荷堆积，这就是极化电荷。与导体中自由移动的电荷不同，这里产生的极化电荷是被束缚的，这个过程被称为电介质的极化。如果外电场是匀强电场，根据前面的推导，每一个电偶极子受到的合力均为0，因此整体受到合力为0，即在匀强电场的作用下将不会发生运动。然而如果在非匀强电场中，那么我们已经知道，每一个电偶极子都会受到一个向着场强增大的方向的一个力，那么整体将会在电场力的作用下，向场强增大的方向运动。3.2极化分子在电场中作用与无极分子不同，极化分子本身的正负电荷“重心”就不重合，其本身就是一个一个的电偶极子。然而由于分子无规则的热运动，正常情况下分子产生的电偶极矩方向是杂乱无章的，所有分子的电偶极矩矢量和为0。因此，对于整个电介质而言，每一部分都是成电中性的。如图6，当有外电场存在的情况下，那么每一个电偶极矩都会转向外电场方向。尽管不一定会完全转向外电场方向，这主要取决于外电场的强弱，但是，至少会比没有外电场时排列整齐，就会在垂直电场的两端产生极化电荷。同样的，如果外电场是匀强电场，轻小物体将不会发生运动，如果外电场是非匀强电场，那么轻小物体就会向着场强大的方向运动。 图63.3总结尽管无极分子和有极分子这两类电介质的极化的微观过程不同，但其产生的效果是类似的，也和导体两端产生感应电荷的宏观效果相似，即在外电场的作用下，在两端产生了等量的异种电荷。如果外电场是特殊的匀强电场的情况，那么轻小物体将不会被吸引。在一般情况下，对于实验中的电场一般都不会是匀强电场。在这种情况下，被极化的电介质会向着场强增大的方向，即向着带电体靠近。四被吸引后的轻小物体一定会被排斥开？在教学过程中，常常遇到这样一个问题。“带电体靠近轻小物体，可以看见轻小物体先是被带电体所吸引，然后又被迅速的弹开。”乍一看这个过程没有任何问题，轻小物体被吸引后与带电体接触，然后就带上了同种电荷，同种电荷相互排斥，自然就被弹开。但是在实验过程中，往往不是所有的轻小物体都被弹开，大部分轻小物体在接触带电体之后往往会吸在带电体上，这又是怎么回事呢？这里只要利用前面的分析就很容易解释这个现象了。前面讲到了，当绝缘体靠近带电体时会出现极化现象，都会在两端形成极化电荷。即使当绝缘体接触到带电体后，他将依然处于被极化的状态，其两端依然分布着等量的异种电荷。在另一方面，轻小物体接触带电体后，理论上会与带电体平分电量。然而，实际上“转移”的电荷数量还要取决于轻小物体的种类。 一.对于轻小物体是导体而言，那么轻小物体将带上与导体等量的同种电荷。 二.如果对于电介质而言，由于带电的轻小物体往往表面凹凸不平，所以他与带电体接触的面积很小。所以能“转移”的电荷数量是非常有限的，往往只有少量的电荷发生“转移”。 由此可见，轻小物体接触带电体后，其表现的电荷可以分为这样两个部分：一，由于极化作用而产生的极化电荷，这种电荷综合来看是被带电体吸引的。二，由于接触带电体后“转移”的电荷，这部分电荷与带电体的作用主要是排斥的。对于导体的情况而言，那么“转移”电荷与带电体产生的排斥力往往会大于极化电荷与带电体之间的吸引力，所以轻小物体是导体的，往往就被排斥开了。对于电介质而言，最后是依然吸附在带电体上，还是被排斥开，主要取决于极化电荷与带电体产生的吸引作用强，还是“转移”电荷与带电体产生的排斥作用强，要视具体情况而定，不可一概而论。五总结通过以上的分析我们认识到了以下几点。1.对于导体而言，带电体产生的无论是匀强电场还是非匀强电场，带电体都会被他吸引。2.对于电介质而