毕业设计（论文）影响摩擦起电实验带电量因素的研究

1、昌吉学院 论文（设计）分类号：o441.5本科毕业论文（设计） 密 级：无影响摩擦起电实验带电量因素的研究系 院 物 理 系 学科门类 理 学 专 业 物 理 学 学 号 姓 名 指导教师 教师职称 2014年3月25日毕业论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果或作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日毕业论文版权使用授权书本毕业论文作者完全了解学院有关保存、使用毕业论文的规定，同意学院保留并向有关毕业论文管理部门或机构送交论文的

2、复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权本学院及以上级别优秀毕业论文评选机构将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库以资检索，可以采用复印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文。声明人签名： 导师签名： 年 月 日 年 月 日摘 要静电学是电学教学的开始，许多电学的基本概念要从静电开始建立，而摩擦起电也是学生对电学最初的认识。多年来，摩擦起电实验都是比较没把握完成的，因为此实验存在很多因素影响实验的效果。其影响因素除了有已经得到研究证实的空气湿度、材料的选择、材料的干燥程度以及是否存在附加电场等客观因素外，还有一些未经证实的主观人为因素，比如摩擦的力度、方向、速度、时间以及接触面积

3、。而本选题对客观因素作出了简单的理论分析，并运用控制变量法，将丝绸与玻璃棒、毛皮与橡胶棒进行摩擦，通过比较箔片验电器金属箔张角的大小，结合理论分析，对影响摩擦起电实验带电量的因素进行探究，并着重通过实验分析主观人为因素对该实验的影响程度，对中学物理实验操作进行更深一步的改进，提出实验建议，完善实验效果。关键词：摩擦起电实验；实验改进；影响因素目 录摘 要i引 言11 摩擦起电实验简介21.1 摩擦起电的概念21.2 摩擦起电实验及现象的分析21.3 摩擦起电实验的实质32 影响摩擦起电实验带电量客观因素的理论依据42.1 空气湿度42.2 材料的选择42.3 材料的干燥程度42.4 是否有附加

4、电场43 对影响摩擦起电实验带电量主观因素的探究43.1 理论猜想43.1.1摩擦力度43.1.2摩擦方向53.1.3摩擦速度53.1.4摩擦时间53.1.5摩擦面积53.2 实验探究53.2.1实验目的53.2.2实验器材及使用简介53.2.3实验原理及方法63.2.4实验步骤及要求63.2.5实验结果处理及分析7结 论9结 束 语10参考文献11附录一12致 谢13引 言众所周知,毛皮摩擦过的橡胶棒及丝绸摩擦过的玻璃棒都能吸引碎纸屑、头发丝等轻小物体,这就是摩擦起电现象。也就是说当两种不同材料的物质相互摩擦后,每一物质都会有一定数量的电子脱离原子核的束缚转移到另一物体上,只是其数量不同。所

5、以从整体上讲,一个物体失去电子,另一物体则得到了电子，这就是摩擦起电的物理实质。而影响摩擦起电实验带电量的因素则分为主观和客观两种，不少中学物理教师通过多年的实验经验总结出了影响该实验的客观因素有空气湿度、材料的干燥程度、材料的选择以及是否有附加电场等，而其理论依据还需要进一步的探究；然而主观因素也可以看为是人为因素，比如摩擦的力度、摩擦的方向、摩擦的速度、摩擦的时间、摩擦的接触面积等，这些因素虽然有人提出了猜想，却并没有一套成形的实验来验证，这也是值得进一步去探究的。因此，本论文将对影响摩擦起电实验带电量的客观因素进行理论依据探究，同时通过改变人为因素着重对其进行实验探究与理论分析，得出摩擦

6、起电实验的改进措施。1 摩擦起电实验简介1.1 摩擦起电的概念用摩擦的方法使两个不同物体带电，具有吸引轻小物质的性质，这种现象叫做摩擦起电。1.2 摩擦起电实验及现象的分析中学物理实验中，丝绸摩擦过的玻璃棒或者毛皮摩擦过的橡胶棒可以吸引碎纸屑、头发等轻小物质，在接触验电器的金属球时，金属箔张开，验证其带电，这就是摩擦起电实验。摩擦起电后的物体,所带电荷的分布与带电体的形状及大小有关,它在空间产生的电场也不规则,但其电场强度e与距带电体的距离平方成反比,是一非匀强电场。碎纸屑、羽毛、头发丝等轻小物体,实际上都是电介质。电介质在外电场作用下将发生极化现象,极化后的轻微物体都相当于一个电偶极子,而电

7、偶极子在外电场作用下要受到力和力矩的作用,从而使其发生平动和转动,最后电偶极子将沿外电场的方向排列。电偶极子在摩擦起电引起的电场中将如何运动呢?电偶极子电偶极子模型是指电量为 q、相距为 l 的一对正负点电荷组成的系统。电偶极子的特征是采用一个矢量 p 来描述的,其大小等于乘积 ql ,方向由-q 指向+q ,称为电偶极子的电偶极矩。电偶极矩是电偶极子在单位外电场下可能受到的最大力矩,故简称电矩,即 p=ql 。电偶极子在外电场中受力矩作用而旋转,使其电偶极矩转向外电场方向。如果外电场不均匀,除受力矩外,电偶极子还要受力而发生平移。电偶极子在外电场中所具有的电势能如图所示,设电偶极子的正、负电

8、荷所处的电位分别为v+ 和v- ,则它的正、负电荷在外电场中的电势能分别为: a+=qv+ a-=qv-那么,电偶极子在外电场中的电势能: a=a+a-=qv+-v-=-q-+edr因为电偶极子的 l 很小, e 在此范围内的变化不大,故上式中的:-+edr=ela=-qel=-pe这里的矢量p=ql,就是前面我们提到电偶极矩,其方向由-q 指向+q 电偶极子的受力分析当电偶极子在外电场作用下发生位移 dr 时,外电场所做的功:dw=fdr 因电场力所做的功等于电势能的减小,fdr=d(pe)对于确定的电偶极子而言,电偶极矩p=ql一定,因此对应于变量dr 的dpe=pde,fdr=pde令

9、r 的正向沿 e 的方向(如图所示)由上式知:当pde0,即 p 的方向与场强绝对值增加的方向一致时, fdr0,说明 f 与 r 同向。因 r 与 p 同向,所到 f 指向场强绝对值增加的方向。当pde0,即 p 的方向与场强绝对值增加的方向相反时, fdrf2 , 12 b.改变摩擦方向，同向摩擦1，来回摩擦3，13 c.改变摩擦速度，v1v4 , 14 d.改变摩擦次数, n1n5 , 1s6 , 16实验结论：(1)摩擦力度越大，物体带电量越多。(2)摩擦方向为同向，物体带电量越多。(3)摩擦速度越快，物体带电量越多。(4)摩擦时间越长，物体带电量越多。(5)摩擦接触面积越大，物体带电

10、量越多。结 论 通过对客观因素的理论分析以及对主观因素的实验探究和理论分析可以知道，影响摩擦起电实验带电量的因素有：空气湿度、材料的选择、材料的干燥程度、是否存在附加电场、摩擦的力度、摩擦的方向、摩擦的速度、摩擦的时间、摩擦的面积。而在这些因素中主要因素是4个客观因素，这4个因素直接影响实验是否能够成功进行，而如何摩擦，也就是其他5个主观因素仅仅是影响实验的效果是否明显。也就是说客观因素主导实验成功率，主观因素决定实验的改进方法。归根结底，无论如何摩擦，只要保证电荷有效地保存且转移，物质的带电量就会越大。因此在中学物理实验中需注意的以下几点：(1)尽可能选择绝缘性强的物质，并不建议使用传统毛皮

11、橡胶棒及丝绸玻璃棒，可使用生活中常见的如将塑料饭勺插入少量大米中进行摩擦，饭勺瞬间吸附大量大米。(2)如用传统方法进行实验，则尽量选择晴天且对材料进行检查，保持其干燥。摩擦时握紧玻璃棒（橡胶棒），快速的同向摩擦，次数不要太多。(3)验电器要干燥，防止由于受潮而使转移到金属箔上的电荷不能保存。(4)用带电的玻璃棒（橡胶棒）带电部分接触验电器金属球时，不要一碰即离，要转动并抽拉，使之有较多的电荷传给验电器，使金属箔上带电的电荷量之间排斥力能够克服箔片重力。结 束 语 本文通过理论分析与实验相结合，对影响摩擦起电实验带电量的因素进行了研究，从而具体的得出了实验过程中的主观人为因素对实验的影响程度。最

12、终得出了一套具体的实验注意事项，进而能更好的完成中学课程中的演示实验。当然，因为个人能力有限，实验构想并不完善，同时也不具备严密精确的实验仪器，扼杀了最初制造并使用闪光式摩擦起电验电球（附录一）的构想，而这也是本文未对客观因素进行具体实验研究的根本原因。但这并不影响本人在今后工作与学习中对本论题继续探究的热情，进而弥补本文未能完成的缺憾。另外，在探究过程中，也发现了本文的很多不足，箔片验电器存在相应的不稳定性，导致本论题的延续受到阻碍，并不能进行更深的探究。而这也更加坚定了我对闪光式摩擦起电验电球的研究方向，希望能够通过闪光式验电球的发光强度，运用光强感应器绘出影响因素对带电量影响的曲线分析图

13、，更加具体、精确的进行定量研究，而最迫切的就是对本文涉及的客观因素进行定量研究。参考文献1 营义夫(日).静电手册m.北京:科学出版社,1953:51-79,337,338.2 宋德生、李国栋.电磁学发展史m.南宁:广西人民出版社,1987:30.3 方俊鑫、殷之文.电介质物理学m.北京:科学出版社,1989:120-122.4 许国梁.中学物理教学法m.第2版.北京:高等教育出版社,1993:119.5 黄铁华.摩擦起电实验的思考与设计j. 实验教学与仪器，1995，9：32.6 潘泽君、刘淑华. 闪光式摩擦起电验电球j. 实验教学与仪器，1997，7-8：68.7 杨凤梅. 论摩擦起电的成

14、因j. 聊城师院学报自然科学版，1997，l0（1）：44-47.8 张占林.摩擦起电的条件是什么j，物理教学探讨（中学生版）初三卷，2000,3:6-7.9 谭红艳.摩擦起电一课教学体会j.小学自然教学,2001,9:23-24.10 苏真、赵文井、曹雪欢、苏树龙. 摩擦起电系列演示器j. 教学仪器与实验，2007，23（9）：45-46.11 杨兆刚.大学生对摩擦起电理解的研究j.菏泽学院学报，2010，32（2）：126-130.12 侯兆军.潮湿条件下“摩擦起电”教学的一个创新实验j.广东教育，2012，11：41-42.13 梁成升.“摩擦起电”现象的分析j.技术物理教学，17（1）

15、：31-32.14 戴念祖. 摩擦起电的古代史j. 中国科学院自然科学史研究所.15 沈鉴泉. 就地取材做摩擦起电实验j. 江苏省宿迁市教师进修学校.附录一（1）制作方法如图所示,图一(1)中c为氖管,d为铜片,f为短粗铜线,g为小铜球,b为铅帽(用牙膏嘴制成),e为绝缘帽(用牙膏盖制成),图中dfcbg是焊接在一起的。图一(2)中a为乒乓球,在乒乓球球径端与其中间共开有3个小孔a,b,c,把墨汁从圆孔倒入乒乓球内部,使其内部涂黑。形成小暗室。把图一(1)装置装入图一(2)乒乓球内,装置按ehdfcbfg的顺序装入,h为弹簧,见图一(3)所示。（2）使用方法把闪光式摩擦起电验电球的金属球与用丝绸摩擦过的玻璃棒,或与用毛皮摩擦过的橡胶棒接触,从小孔b处观察,可看到氖管内闪闪发光,从而演示出摩擦起电时的带电现象。致 谢在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师宋艺华老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，宋老师倾注了大量的心