靜電場結(jié)合專業(yè)特點的實例教學(xué)

頓中萬

引言：大學(xué)物理在長期的教學(xué)中一味的重視理論講解而忽略用案例分析的方式教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中很難體驗到學(xué)習(xí)物理的興趣，所以針對目前的大學(xué)物理教學(xué)改革，有必要根據(jù)專業(yè)特點用事例分析來講解，使物理這門課程具有實用性和可操作性。

關(guān)鍵詞：專業(yè)特點；實例教學(xué)；靜電場；教學(xué)改革

我們知道任何物質(zhì)都是由原子組合而成，而原子的基本結(jié)構(gòu)為質(zhì)子、中子及電子。科學(xué)家們將質(zhì)子定義為正電，中子不帶電，電子帶負(fù)電。在正常狀況下，一個原子的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)量相同，正負(fù)電平衡，所以對外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。但是由于外界作用如摩擦或以各種能量（如動能、位能、熱能、化學(xué)能等）的形式作用會使原子的正負(fù)電不平衡。在日常生活中所說的摩擦實質(zhì)上就是一種不斷接觸與分離的過程。有些情況下不摩擦也能產(chǎn)生靜電，如感應(yīng)靜電起電，熱電和壓電起電、亥姆霍茲層、噴射起電等。任何兩個不同材質(zhì)的物體只要接觸后分離就能產(chǎn)生靜電，流動的空氣當(dāng)然能產(chǎn)生靜電。為什么流動空氣會產(chǎn)生靜電呢？因為空氣也是由原子組合而成，所以可以這么說，在人們生活的任何時間、任何地點都有可能產(chǎn)生靜電，在介紹靜電產(chǎn)生的原理過程學(xué)生對這樣比較抽象缺乏實物佐證的理論表現(xiàn)出比較乏味的心理，所以在教學(xué)中我們需要結(jié)合這章內(nèi)容與信息專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行實例分析，讓原本單調(diào)的知識顯得生動。我們可以通過以下幾個事例來分析。

一、靜電分離

靜電分離方法可用于粒狀混合物的靜電分離，例如，從礦石中除去石粒；從大米等糧食中清除雜物。靜電噴漆可方便地對龐然大物，例如火車車箱、集裝箱進(jìn)行快速有效噴漆。此外，靜電植絨技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。

1.靜電除塵器

靜電分離方法的重要而廣泛的應(yīng)用之一就是靜電除塵。它使灰塵污染嚴(yán)重的地區(qū)（例如水泥廠、礦石加工場以及燃煤發(fā)電廠）周圍的空氣凈化。

靜電除塵器的基本結(jié)構(gòu)如下：豎直安置的金屬管中央，懸掛一根金屬細(xì)絲，金屬絲與管壁之間施加一個數(shù)值很大的負(fù)電壓，于是在管內(nèi)空間中，建立起不均勻的電場分布。靠近金屬絲的地方，場強(qiáng)達(dá)到很高的數(shù)值，足以使空氣中性分子發(fā)生電擊穿，而形成大量的“自由”電子和正離子，其中“自由”電子被電場驅(qū)趕向管壁運動的過程中，吸附金屬管內(nèi)氣體中的氧分子而形成負(fù)氧離子，負(fù)氧離子與正在沿金屬管上升的臟氣體相遇，臟氣體中所夾雜的微粒，因捕捉負(fù)氧離子而帶電，因而被電場推向管壁。如果有害的微粒是固態(tài)，那么它們被定期地從管壁上搖落下來，進(jìn)入收集袋；如果有害的物質(zhì)是液體， 則沿管壁流下來，進(jìn)入收集罐。于是臟氣體被凈化后，經(jīng)金屬管右上端的管口排出。氣體經(jīng)一次凈化后還可再次凈化，以達(dá)到規(guī)定凈化標(biāo)準(zhǔn)。

二、靜電計

如圖2 （a）所示，在金屬球B的下端，裝一只可偏轉(zhuǎn)的指針P，以及顯示指針偏轉(zhuǎn)角度的弧形標(biāo)尺，便組成一臺簡易靜電計。此外，為了消除外界電場對靜電計的干擾，靜電計的外殼S用金屬制成，并且在外殼上，還裝有玻璃窗，以便觀察指針讀數(shù)。靜電計的金屬指針P與外殼S可看作是一個電容很小的電容器C0，將待測電壓接在指針P與殼S之間，如圖 （b）所示，因總電容為C總=C0+C=C。于是，可認(rèn)為接上靜電計后不影響原來電壓UBS，由于C0與C并聯(lián)，因而靜電計兩端電壓也是UBS，又因為靜電計指針的偏轉(zhuǎn)角度隨電量Q0而變，而Q0=CUBS，于是，指針偏轉(zhuǎn)角隨UBS而變。依據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)角就可得知B與S之間的電壓。若靜電計指針接導(dǎo)體，外殼接地，則可由靜電計測導(dǎo)體電勢。此外，靜電計也可用來測量電量。為了提高靜電計測量的精度，可采用絕對靜電計或象限靜電計。

三、結(jié)論

在日常生活中，我們用梳子在理頭發(fā)的時候，常常會發(fā)現(xiàn)毛發(fā)在高壓靜電場力的作用下形成射線狀。我們在每天夜晚脫衣服的時候，也常常會發(fā)現(xiàn)一種閃光效應(yīng)和劈了啪啦的閃光聲響。這就是我們常說的“電”現(xiàn)象。有很多種物體在運動中，都可生成兩邊的端點帶有正負(fù)電荷的電場效應(yīng)，當(dāng)電荷量聚集達(dá)到數(shù)萬伏的高壓時，它就會向四周的其它物體產(chǎn)生電荷放電，這就是物體的摩擦起電狀態(tài)。

靜電現(xiàn)象包括許多大自然例子，像塑膠袋與手之間的吸引、似乎是自發(fā)性的谷倉爆炸、在制造過程中電子元件的損毀、影印機(jī)的運作原理等等。當(dāng)一個物體的表面接觸到其它表面時，電荷集結(jié)于這物體表面成為靜電。雖然電荷交換是因為兩個表面的接觸和分開而產(chǎn)生的，只有當(dāng)其中一個表面的電阻很高時，電流變的很小，電荷交換的效應(yīng)才會被注意到。因為，電荷會被入陷于那表面，在那里度過很長一段時間，足夠讓這效應(yīng)被觀察到的一段時間。通過在上課過程中用實例分析，學(xué)生知道了和我們?nèi)粘Ｉ钪械撵o電現(xiàn)象的工作原理和機(jī)能，也明白了大學(xué)物理這門課程可以解釋我們生活中各種各樣的現(xiàn)象，擴(kuò)大了學(xué)生的視野也讓這門課程開始深受學(xué)生的喜愛，對大學(xué)物理的教學(xué)起到和好的促進(jìn)作用。

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