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笔者在做电荷的相互作用时,用一根被丝绸摩擦过的玻璃棒用两根细长的丝线悬挂在空中保持平衡,待被悬挂的玻璃棒稳定后,用另一根同样被丝绸摩擦过的玻璃棒靠近被悬在空中的玻璃棒.根据“同种电荷相互吸引,异种电荷相互排斥”的理论,我们觉得两玻璃棒应该相互排斥.可是实验中两根玻璃棒却相互吸引!这个实验现象使笔者对人教版八年级第五章第一节图5.1-2(电荷的相互作用)的实验有所怀疑,这个实验是否会能说明“同种电荷相互吸引,异种电荷相互排斥”呢?
要解释上述疑惑,首先要从三种产生电荷的原因说起.
1 摩擦起电
摩擦起电实质是接触带电和分离带电的结合.物质在摩擦的过程是两物质更加紧密地接触,因为在微观上物质相互表面凹凸不平,两物体在相互摩擦时“凸”点与“凸”点会相互接触较为紧密.物质摩擦相互运动过程中,两“凸”点接触时间极其短暂.这样物体在摩擦过程中大大地增加了接触点.图1可以形象地描述摩擦起电的过程,在两个物质的接触面形成电偶层.接触前两物质呈中性,接触由于电子的漂移形成电偶层,相当于一个电容器,机械分离后两极板各自带等量的异种电荷.
2 感应起电
将导体放在带电体的附近,在带电体的电场作用下导体中的自由电子发生定向移动(图2).也可以用同种电荷相互排斥,异[JP2]种电荷相互吸引来解释.导体中的自由电子在带电体的作用下,因排斥或吸引使导体两端分别带上两种不同的电荷,这就是静电感应.将导体从中间分开,本身是中性的物体变成了两个带等量异种电荷的部分.显然通过静电感应可以使物体带电.
3 极化电荷
任何物质的分子或原子都是由带负电的电子和带正电的原子核构成,整个分子中电荷为0.正负电荷在分子中都不是集中于一点的.但是在离开分子的距离比分子的线度大得多的地方,分子中全部的负电荷对于这些地方的影响将和一个单独的负电荷等效.这个等效的负点电荷的位置称为这个分子的负电荷“重心”,同样正电荷也有一个“重心”.这些分子在电场的作用下有序排列,在物质表面相当于产生了一层电荷.
以负电荷的“重心”为始端,以正电荷的“重心”末端的小箭头表示介质中的分子.没加电场时介质中的分子排列杂乱无章,如图3甲所示,加电场后分子排列有序,如图3乙所示.
当绝缘体放在带电体附近时,和导体放在带电体附近的情况类似.导体是电荷的移动产生电荷的,而绝缘体是由于极化产生的电性.极化电荷与导体的自由电子不同之处在于,它们不能离开电介质而转移到其他带电体上,也不能在电介质内部自由移动.
玻璃棒是绝缘体,当两个玻璃棒带同种不等量的电荷相互靠近时,很容易会出现相互吸引这样的情况.如图4,假设a玻璃棒带电较多正电荷,b带电较少的正电荷,在b的左端容易被极化出多于b左端的负电荷,这样b的左端就显负电性,于是两[JP2]玻璃棒表现出相互吸引.实际操作中这样的现象是比较常见的.
通过上面理论分析和实验验证两个带相同电荷的玻璃棒可以相互吸引,而带异种电荷的玻璃棒也可以吸引,教材中由这个实验做电荷的相互作用是不是就有点不合理了.
要解释上述疑惑,首先要从三种产生电荷的原因说起.
1 摩擦起电
摩擦起电实质是接触带电和分离带电的结合.物质在摩擦的过程是两物质更加紧密地接触,因为在微观上物质相互表面凹凸不平,两物体在相互摩擦时“凸”点与“凸”点会相互接触较为紧密.物质摩擦相互运动过程中,两“凸”点接触时间极其短暂.这样物体在摩擦过程中大大地增加了接触点.图1可以形象地描述摩擦起电的过程,在两个物质的接触面形成电偶层.接触前两物质呈中性,接触由于电子的漂移形成电偶层,相当于一个电容器,机械分离后两极板各自带等量的异种电荷.
2 感应起电
将导体放在带电体的附近,在带电体的电场作用下导体中的自由电子发生定向移动(图2).也可以用同种电荷相互排斥,异[JP2]种电荷相互吸引来解释.导体中的自由电子在带电体的作用下,因排斥或吸引使导体两端分别带上两种不同的电荷,这就是静电感应.将导体从中间分开,本身是中性的物体变成了两个带等量异种电荷的部分.显然通过静电感应可以使物体带电.
3 极化电荷
任何物质的分子或原子都是由带负电的电子和带正电的原子核构成,整个分子中电荷为0.正负电荷在分子中都不是集中于一点的.但是在离开分子的距离比分子的线度大得多的地方,分子中全部的负电荷对于这些地方的影响将和一个单独的负电荷等效.这个等效的负点电荷的位置称为这个分子的负电荷“重心”,同样正电荷也有一个“重心”.这些分子在电场的作用下有序排列,在物质表面相当于产生了一层电荷.
以负电荷的“重心”为始端,以正电荷的“重心”末端的小箭头表示介质中的分子.没加电场时介质中的分子排列杂乱无章,如图3甲所示,加电场后分子排列有序,如图3乙所示.
当绝缘体放在带电体附近时,和导体放在带电体附近的情况类似.导体是电荷的移动产生电荷的,而绝缘体是由于极化产生的电性.极化电荷与导体的自由电子不同之处在于,它们不能离开电介质而转移到其他带电体上,也不能在电介质内部自由移动.
玻璃棒是绝缘体,当两个玻璃棒带同种不等量的电荷相互靠近时,很容易会出现相互吸引这样的情况.如图4,假设a玻璃棒带电较多正电荷,b带电较少的正电荷,在b的左端容易被极化出多于b左端的负电荷,这样b的左端就显负电性,于是两[JP2]玻璃棒表现出相互吸引.实际操作中这样的现象是比较常见的.
通过上面理论分析和实验验证两个带相同电荷的玻璃棒可以相互吸引,而带异种电荷的玻璃棒也可以吸引,教材中由这个实验做电荷的相互作用是不是就有点不合理了.