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 1025811011 姓 名 白 月 霜 指导教师 宋 艺 华 教师职称 副 教 授 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。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 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, Fdr0,说明 F 与 r 反向。而 r 与 p 同向,所以在这种情况下, F 仍与场强绝对值增加的方向相同。由此可见,外电场对电偶极子的电场力F 总是指向场强增加的方向,即指向产生电场的带电体。这就是摩擦起电后的物体能够吸引纸屑、羽毛、头发丝等轻小物体的道理。1.3 摩擦起电实验的实质摩擦起电的实质是电荷的转移。由于不同物质的原子核对核外电子的束缚能力不同，当两种物体相互摩擦时，原子核对核外电子束缚能力弱的物体失去一些电子，转移到另一物体上，失去电子的物体带正电，得到电子的物体由于带有多余的电子而带负电。摩擦起电实质上并不是创造了电，只是电荷从一个物体转移到了另一个物体，使正负电荷分开。根据分子运动论的观点,物质是由大量分子和原子组成的,原子核及核外带负电的电子形成了原子,原子核中有质子和中子,质子带正电。一个质子和一个电子都带一个基本电荷量(1.910-19)而同一原子中的质子与电子数目相等,因此,正常情况下,物质对外并不显示电性。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。所以从整体上讲,一物体失去电子,另一物体则得到了电子。如玻璃棒与丝绸摩擦后失去电子就带正电,硬橡胶棒与毛皮摩擦后因得到电子而带负电,这就是摩擦起电的物理实质.2 影响摩擦起电实验带电量客观因素的理论依据2.1 空气湿度空气湿度大，也就是说空气中的水分子含量越多，当两物体摩擦，带电物体上的电荷与空气中的水分子接触，便会很快转移到空气中，带电体的电荷有所流失，会影响其带电量。因此，空气湿度越大，实验中物体带电量越少，实验效果越不明显。2.2 材料的选择摩擦起电，必须使用不同材料制成的两个物体(至少有一个是绝缘材料)。由于物质不同，电子逸出功的大小也可以说束缚电子的能力就不相同。当两个物体紧密接触或摩擦时，有一部分电子会由逸出功较小的物体转移到逸出功较大的物体上去。于是，得到电子的物体带负电荷，失去电子的物体同时带等量的正电荷。因此，在材料的选择上，物质电子逸出功的大小也影响摩擦起电带电量，并且两种物质的电子逸出功相差越大就越容易起电。2.3 材料的干燥程度物质的绝缘程度越高，越容易起电，若物体受潮，其绝缘程度降低，就不易起电，也不易保存电荷。因此，材料的干燥程度也直接影响着摩擦起电带电量的多少。2.4 是否有附加电场当我们用有机玻璃棒与塑料布摩擦时，有机玻璃棒起正电，塑料布起负电。用后有机玻璃棒正电几乎消失殆尽，再度进行摩擦起电时，塑料布上的负电荷并未消失，造成第二次摩擦是在有附加电场情况下进行的。因此，电子转移的方向及数目必然受到干扰。于是，摩擦后的有机玻璃棒可能在带正电、带负电、几乎不带电这三种情况中发生。不注意这种情况，就会误认为有机玻璃棒与塑料布摩擦时，有机玻璃也能起负电。因此，所用材料是否有残留电荷，造成附加电场也是影响摩擦起电实验带电量多少的因素之一。3 对影响摩擦起电实验带电量主观因素的探究3.1 理论猜想3.1.1摩擦力度丝绸与玻璃棒摩擦，实际上是做功的过程，力气越大，做功越大，产生的内能也会越大，分子运动的速度加快，也会影响电子转移的速度，因此，摩擦的力度可能影响摩擦起电实验带电量的多少。3.1.2摩擦方向摩擦方向有两种，一种是同向摩擦，一种是反复来回摩擦。如果反复来回摩擦，物质表面的温度会加速升高，不仅影响物体电子逸出功的大小，还影响物质所带电荷的保存时间。而同向摩擦则相对缓冲了温度突增的变化，因此，摩擦的方向也可能是影响带电量多少的因素之一。3.1.3摩擦速度摩擦的速度不同，物质产生内能的大小也就不一样，影响了分子运动的速度，进而影响了电荷转移的速度及多少，因此，摩擦速度可能影响摩擦起电实验带电的效率。3.1.4摩擦时间摩擦时间也就是摩擦的次数也可能影响带电量的多少，因为摩擦的时间久了物体内能增加的过多，温度增加，已经转移的电子在高温下又可能向空气中转移，而摩擦次数太少又会影响电子转移的太少。3.1.5摩擦面积摩擦过程中，两物体接触的面积大小也可能影响带电量的多少。因为摩擦接触了多大的面积，就会产生多大面积的内能，而在这特定的面积内的分子运动速度加快，就有多大面积的电子进行转移。3.2 实验探究3.2.1实验目的运用控制变量法以及比较法了解主观因素如何影响实验，通过实验结论掌握最佳实验方法。3.2.2实验器材及使用简介（一）实验器材