静电场结合专业特点的实例教学

顿中万

引言：大学物理在长期的教学中一味的重视理论讲解而忽略用案例分析的方式教学，学生在学习中很难体验到学习物理的兴趣，所以针对目前的大学物理教学改革，有必要根据专业特点用事例分析来讲解，使物理这门课程具有实用性和可操作性。

关键词：专业特点；实例教学；静电场；教学改革

我们知道任何物质都是由原子组合而成，而原子的基本结构为质子、中子及电子。科学家们将质子定义为正电，中子不带电，电子带负电。在正常状况下，一个原子的质子数与电子数量相同，正负电平衡，所以对外表现出不带电的现象。但是由于外界作用如摩擦或以各种能量（如动能、位能、热能、化学能等）的形式作用会使原子的正负电不平衡。在日常生活中所说的摩擦实质上就是一种不断接触与分离的过程。有些情况下不摩擦也能产生静电，如感应静电起电，热电和压电起电、亥姆霍兹層、喷射起电等。任何两个不同材质的物体只要接触后分离就能产生静电，流动的空气当然能产生静电。为什么流动空气会产生静电呢？因为空气也是由原子组合而成，所以可以这么说，在人们生活的任何时间、任何地点都有可能产生静电，在介绍静电产生的原理过程学生对这样比较抽象缺乏实物佐证的理论表现出比较乏味的心理，所以在教学中我们需要结合这章内容与信息专业的学生进行实例分析，让原本单调的知识显得生动。我们可以通过以下几个事例来分析。

一、静电分离

静电分离方法可用于粒状混合物的静电分离，例如，从矿石中除去石粒；从大米等粮食中清除杂物。静电喷漆可方便地对庞然大物，例如火车车箱、集装箱进行快速有效喷漆。此外，静电植绒技术也得到了广泛应用。

1.静电除尘器

静电分离方法的重要而广泛的应用之一就是静电除尘。它使灰尘污染严重的地区（例如水泥厂、矿石加工场以及燃煤发电厂）周围的空气净化。

静电除尘器的基本结构如下：竖直安置的金属管中央，悬挂一根金属细丝，金属丝与管壁之间施加一个数值很大的负电压，于是在管内空间中，建立起不均匀的电场分布。靠近金属丝的地方，场强达到很高的数值，足以使空气中性分子发生电击穿，而形成大量的“自由”电子和正离子，其中“自由”电子被电场驱赶向管壁运动的过程中，吸附金属管内气体中的氧分子而形成负氧离子，负氧离子与正在沿金属管上升的脏气体相遇，脏气体中所夹杂的微粒，因捕捉负氧离子而带电，因而被电场推向管壁。如果有害的微粒是固态，那么它们被定期地从管壁上摇落下来，进入收集袋；如果有害的物质是液体， 则沿管壁流下来，进入收集罐。于是脏气体被净化后，经金属管右上端的管口排出。气体经一次净化后还可再次净化，以达到规定净化标准。

二、静电计

如图2 （a）所示，在金属球B的下端，装一只可偏转的指针P，以及显示指针偏转角度的弧形标尺，便组成一台简易静电计。此外，为了消除外界电场对静电计的干扰，静电计的外壳S用金属制成，并且在外壳上，还装有玻璃窗，以便观察指针读数。静电计的金属指针P与外壳S可看作是一个电容很小的电容器C0，将待测电压接在指针P与壳S之间，如图 （b）所示，因总电容为C总=C0+C=C。于是，可认为接上静电计后不影响原来电压UBS，由于C0与C并联，因而静电计两端电压也是UBS，又因为静电计指针的偏转角度随电量Q0而变，而Q0=CUBS，于是，指针偏转角随UBS而变。依据指针的偏转角就可得知B与S之间的电压。若静电计指针接导体，外壳接地，则可由静电计测导体电势。此外，静电计也可用来测量电量。为了提高静电计测量的精度，可采用绝对静电计或象限静电计。

三、结论

在日常生活中，我们用梳子在理头发的时候，常常会发现毛发在高压静电场力的作用下形成射线状。我们在每天夜晚脱衣服的时候，也常常会发现一种闪光效应和劈了啪啦的闪光声响。这就是我们常说的“电”现象。有很多种物体在运动中，都可生成两边的端点带有正负电荷的电场效应，当电荷量聚集达到数万伏的高压时，它就会向四周的其它物体产生电荷放电，这就是物体的摩擦起电状态。

静电现象包括许多大自然例子，像塑胶袋与手之间的吸引、似乎是自发性的谷仓爆炸、在制造过程中电子元件的损毁、影印机的运作原理等等。当一个物体的表面接触到其它表面时，电荷集结于这物体表面成为静电。虽然电荷交换是因为两个表面的接触和分开而产生的，只有当其中一个表面的电阻很高时，电流变的很小，电荷交换的效应才会被注意到。因为，电荷会被入陷于那表面，在那里度过很长一段时间，足够让这效应被观察到的一段时间。通过在上课过程中用实例分析，学生知道了和我们日常生活中的静电现象的工作原理和机能，也明白了大学物理这门课程可以解释我们生活中各种各样的现象，扩大了学生的视野也让这门课程开始深受学生的喜爱，对大学物理的教学起到和好的促进作用。

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