“摩擦起電”典題解析

姜建軍

摩擦起電是人類最早發(fā)現(xiàn)的電現(xiàn)象，兩種電荷及相互作用規(guī)律是進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)電學(xué)、理解許多電現(xiàn)象的基礎(chǔ)，怎樣著手去分析和解決摩擦起電引起的相關(guān)靜電問題呢？我們不妨通過如下例題來共同探討，以達(dá)到對摩擦起電等靜電現(xiàn)象更深層次的了解.

例1 摩擦起電是（ ）.

A.轉(zhuǎn)移正電荷的過程

B.使電子從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體的過程

C.電子和質(zhì)子同時(shí)轉(zhuǎn)移的過程

D.創(chuàng)造電荷的過程

解析 這道物理概念辨析題看似簡單，但要解決此類題，必須對原子結(jié)構(gòu)和摩擦起電的本質(zhì)和原因有深入的理解，并具備一定的空間想象能力.（1）對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，首先要知道原子是由位于中心的原子核和核外繞核高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電子組成；原子核帶正電，電子帶負(fù)電.其次要知道電子是帶有最小負(fù)電荷的粒子，由于受原子核的束縛作用，圍繞原子核高速旋轉(zhuǎn).由于原子核所帶的正電荷與核外電子總共帶的負(fù)電荷在數(shù)量上相等，整個(gè)原子呈電中性而不帶電.（2）對摩擦起電原因，我們要把握住兩點(diǎn)：①不同物質(zhì)的原子核束縛電子的本領(lǐng)不同；②束縛電子本領(lǐng)弱的物體易失去電子帶正電，束縛電子本領(lǐng)強(qiáng)的物體易得到電子帶負(fù)電.所以答案選B.

運(yùn)用上述知識(shí)點(diǎn)，容易解決下題.

例2 一個(gè)物體沒有帶電，是因?yàn)椋?）.

A.物體內(nèi)部沒有電荷

B.物體內(nèi)部沒有電子

C.原子核所帶的正電荷總數(shù)與核外電子所帶的負(fù)電荷總數(shù)相等

D.原子核所帶的正電荷數(shù)與一個(gè)電子所帶的負(fù)電荷數(shù)相等

答案為C.

例3 任取兩個(gè)原來不帶電的物體，相互摩擦，下列說法正確的是（ ）.

A.一個(gè)物體帶電，另一物體不帶電

B.兩個(gè)物體帶等量正電荷

C.兩個(gè)物體帶等量負(fù)電荷

D.兩個(gè)物體帶等量的異種電荷

答案為D.

例4 如圖1所示，玻璃棒與絲綢摩擦，玻璃棒為什么帶正電？絲綢為什么帶負(fù)電？相互摩擦的物體帶何種電荷，取決于什么？

解析 絲綢與玻璃棒摩擦，絲綢中原子核束縛電子的能力強(qiáng)，因得到電子帶負(fù)電，玻璃棒中原子核束縛電子的能力弱，因失去電子帶正電；同理毛皮與橡膠棒摩擦，毛皮因失去電子帶正電，橡膠棒因得到電子帶負(fù)電.相互摩擦的物質(zhì)帶什么電荷，取決于該物質(zhì)中原子核束縛電子能力的強(qiáng)弱.

例5 如圖2所示，當(dāng)用毛皮摩擦過的橡膠棒靠近一個(gè)掛在絕緣細(xì)線下的小通草球時(shí)，發(fā)現(xiàn)通草球也向橡膠棒靠近，由此可判斷（ ）.

A.通草球帶正電

B.通草球帶負(fù)電

C.通草球不帶電

D.以上判斷都不對

解析 此題主要考查兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)：（1）摩擦起電后，帶電體能夠吸引輕小物體；（2）電荷間相互作用規(guī)律，即同種電荷相互排斥、異種電荷相互吸引.由于毛皮摩擦過的橡膠棒帶負(fù)電，小通草球與帶負(fù)電的橡膠棒相互吸引存在兩種情況：不帶電或帶正電荷，故選D.

例6 如圖3所示，已知驗(yàn)電器帶正電荷，用一物體接觸驗(yàn)電器的金屬球，驗(yàn)電器金屬箔閉合后又分開，則物體帶電情況是（ ）.

A.帶正電荷 B.帶負(fù)電荷

C.不帶電 D.無法判斷

解析 要解決此題，我們首先對驗(yàn)電器的使用和工作原理有所了解.驗(yàn)電器是根據(jù)兩金屬箔是否有張角來判斷與其接觸的物體是否帶電，張角越大則帶的電荷越多.其工作原理是：當(dāng)帶電體與驗(yàn)電器的金屬球接觸后，電荷經(jīng)金屬桿導(dǎo)入到金屬箔，是兩金屬箔之間帶同種電荷而相互排斥引起的.題目提示金屬箔本來帶正電荷，當(dāng)接觸某一物體后兩金屬箔閉合，說明金屬箔中的正電荷被負(fù)電荷中和了而不帶電，則物體應(yīng)該帶負(fù)電荷.至于金屬箔后來為何又張開，是因?yàn)槲矬w帶的負(fù)電荷數(shù)比金屬箔帶的正電荷數(shù)要多，物體所帶的負(fù)電荷中和掉金屬箔上的正電荷后，又有負(fù)電荷轉(zhuǎn)移到金屬箔上，故本題應(yīng)選B.

對例6進(jìn)一步拓展：如果物體帶的是正電荷，則金屬箔張角會(huì)如何變化？如果物體帶的負(fù)電荷數(shù)比金屬箔上的正電荷少，則金屬箔的張角又會(huì)如何變化？

答案 如果物體帶的是正電荷，則張角會(huì)增大；如果物體帶的負(fù)電荷數(shù)比金屬箔上的正電荷少，則金屬箔的張角會(huì)變小，不會(huì)出現(xiàn)金屬箔閉合又張開的現(xiàn)象.

利用電荷間相互作用規(guī)律還可解釋下列問題.

例8 如圖4所示，用塑料梳子梳干燥的頭發(fā)，為什么頭發(fā)會(huì)越梳越亂？

答案 頭發(fā)越梳越亂的原因，一是被摩擦的頭發(fā)帶了同種電荷而相互排斥，二是梳子與頭發(fā)帶了異種電荷而相互吸引.

例9 如圖5所示，我們在做塑料尺和頭發(fā)摩擦吸引紙屑實(shí)驗(yàn)時(shí)，仔細(xì)觀察的同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)，紙屑先被吸引，然后又被彈開，如何解釋這種現(xiàn)象？

解析 首先，我們知道塑料尺經(jīng)摩擦帶了電荷后，會(huì)吸引輕小物體碎紙屑；其次，當(dāng)碎紙屑在與塑料尺接觸后，與塑料尺帶了同種電荷，同種電荷會(huì)相互排斥，會(huì)將紙屑彈開.

說明 在日常生活中，很多物理現(xiàn)象都可用上述知識(shí)點(diǎn)來解釋，如：穿腈綸的衣服很容易臟，就是因?yàn)殡婢]衣服相對于棉質(zhì)衣服更容易摩擦起電，帶電后吸引輕小灰塵；利用靜電噴漆，為什么噴出的油漆噴在工件上，能噴布均勻、節(jié)約涂料，就是利用噴出的油漆帶同種電荷相互排斥的原理.靜電除塵、靜電復(fù)印等與生活相關(guān)的物理問題，都可用上述靜電知識(shí)來解釋.

例9 當(dāng)人們在漆黑的晚上脫毛衣時(shí)，為什么常有電火花出現(xiàn)，并伴有一定聲響？

解析 這里涉及摩擦起電和異種電荷相互吸引引起的放電現(xiàn)象.由于毛衣在相互摩擦?xí)r帶了異種電荷，且異種電荷在相互吸引時(shí)會(huì)擊穿空氣形成電火花，產(chǎn)生小規(guī)模的放電現(xiàn)象.如圖6所示，閃電形成的原理也是上述原因，由于云層與云層之間所帶的異種電荷在相互吸引中和時(shí)，將空氣擊穿而形成大規(guī)模放電.

靜電中的放電現(xiàn)象，有時(shí)會(huì)對人類的生產(chǎn)和生活帶來一定危害，同學(xué)們能否解釋下列現(xiàn)象？

例10 如圖7所示，運(yùn)輸燃料的油罐車，在裝油、運(yùn)輸過程中，為什么在車上安裝一條拖在地上的鐵鏈？

解析 油罐車中的油在與罐壁摩擦?xí)r，油與罐壁帶了異種電荷，當(dāng)電荷積累到一定程度時(shí)，相互吸引中和而擊穿空氣產(chǎn)生的電火花會(huì)點(diǎn)燃易燃物油，從而引發(fā)火災(zāi)導(dǎo)致油罐車爆炸.采取的措施是在車上安裝一條拖在地上的鐵鏈，使產(chǎn)生的電荷導(dǎo)入大地.同樣，飛機(jī)在空氣中飛行時(shí)，機(jī)身與空氣摩擦而產(chǎn)生大量的電荷，飛機(jī)著陸時(shí)，地勤人員接近機(jī)身時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生火花放電，嚴(yán)重時(shí)可將人擊倒.解決的辦法如圖8所示，用導(dǎo)電橡膠做輪胎，飛機(jī)一著地，電荷就被導(dǎo)入大地.

對摩擦起電現(xiàn)象、兩種電荷及其作用規(guī)律等靜電知識(shí)，雖然同學(xué)們在生活中可能有所了解，但在具體學(xué)習(xí)過程中，如果能結(jié)合日常生活中的具體實(shí)例，善于動(dòng)腦找出內(nèi)在的物理規(guī)律，這些題就應(yīng)該可以迎刃而解.在初中階段我們所探究的還是較為簡單的靜電現(xiàn)象，在步入高中后，同學(xué)們將會(huì)接觸更為有趣和廣泛的靜電現(xiàn)象.