毕业设计（论文）-影响摩擦起电实验带电量因素的研究.doc

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 日昌吉学院2014届本科毕业论文（设计）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I昌吉学院2014届本科毕业论文（设计）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1313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-+E·dr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:-+E·dr=E·lA=-qE·l=-p·E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=F·dr 因电场力所做的功等于电势能的减小,F·dr=d(p·E)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dp·E=p·dE,F·dr=p·dE令 r 的正向沿 E 的方向(如图所示)由上式知:当p·dE>0,即 p 的方向与场强绝对值增加的方向一致时, F·dr>0,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p·dE<0,即 p 的方向与场强绝对值增加的方向相反时, F·dr<0,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(1.9×10-19)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 箔片验电器（二）箔片验电器使用简介（1）改进方法运用量角器绘制一张清晰的纸质刻度，将有刻度的一面贴在验电器后壁外部，使正面可以清楚的看到刻度，这样就可以准确的观察实验过程中金属箔的张开角度。（2）使用方法将被检验的物体与验电球接触（接触带电）或靠近（感应带电），两箔片张开，观察刻度，即可读出张角大小。如果两箔片原已张开，则应先用手触验电球使之中和后再进行实验。3.2.3实验原理及方法原理：两种物质相互摩擦产生电子的转移，发生摩擦起电现象。用丝绸摩擦玻璃棒，玻璃棒的一些电子转移到丝绸上，玻璃棒因失去电子而带正电，丝绸因得到电子而带等量的负点，此时用玻璃棒靠近箔片验电器来检验是否带电，如带电箔片张开则带电，且张角越大，带电量越多。方法：控制变量法 比较法 3.2.4实验步骤及要求(1)客观条件均不改变（即同一室内环境、材料），将毛皮与橡胶棒相互摩擦，依次改变: a.摩擦力度。用电子握力器测出一名男生最大握力F1，一名女生最大握力F2。让男生女生依次用最大握力进行实验，观察箔片张角并记录，注意除了力度不同，保持其他研究因素不变。（由于电子握力器的单位是Kg，在记录时换算成N）。连续进行三次实验，取平均值1、2。 b.摩擦方向 c.摩擦速度 d.摩擦时间（次数） e.摩擦面积观察箔片张角角度并记录。(2)用丝绸与玻璃棒摩擦，重复上述步骤，观察并记录。3.2.5实验结果处理及分析（1）毛皮与橡胶棒实验记录摩擦力度F/(N)摩擦方向摩擦速度V/(次/s)摩擦次数N/（次）摩擦面积S箔片张角角度F1=560同向摩擦V1=2次/sN1=12S1=3.5cm220°1=19.7°21°18°F2=220同向摩擦V2=2次/sN2=12S2=3.5cm215°2=16°17°16°F3=560来回摩擦V3=2次/sN3=12S3=3.5cm218°3=17.3°17°17°F4=560同向摩擦V4=1次/sN4=12S4=3.5cm218°4=18.7°19°19°F5=560同向摩擦V5=2次/sN5=30S5=3.5cm230°5=30.3°31°30°F6=560同向摩擦V6=2次/sN6=12S6=2.5cm218°6=18°19°17°（2）丝绸与玻璃棒实验记录摩擦力度F/(N)摩擦方向摩擦速度V/(次/s)摩擦次数N/（次）摩擦面积S箔片张角角度F1=560同向摩擦V1=2次/sN1=12S1=3.5cm25°1=4.3°4°4°F2=220同向摩擦V2=2次/sN2=12S2=3.5cm22°2=2°1°3°F3=560来回摩擦V3=2次/sN3=12S3=3.5cm23°3=3°3°3°F4=560同向摩擦V4=1次/sN4=12S4=3.5cm22°4=4°3°3°F5=560同向摩擦V5=2次/sN5=30S5=3.5cm26°5=6.3°7°6°F6=560同向摩擦V6=2次/sN6=12S6=2.5cm23°6=2.3°2°2°数据分析: a.改变摩擦力度，F1>F2 , 1>2 b.改变摩擦方向，同向摩擦1，来回摩擦3，1>3 c.改变摩擦速度，V1>V4 , 1>4 d.改变摩擦次数, N1<N5 , 1<5 e.改变摩擦面积, S1>S6 , 1>6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，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）：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血和汗水，无论是在论文的选题，构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了宋老师的细心细致教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识，深厚的学术素养，严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风是我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深地谢意。在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还得到在实习过程中许多同事的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。感谢所有关心，支持，帮助过我的良师益友。最后，向在百忙之中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心的感谢。