对物体摩擦起电所带电荷性质的探究，本文主要内容关键词为：电荷论文,物体论文,摩擦论文,性质论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在做有关摩擦起电实验时，发现一种现象：在室温下用丝绸分别去摩擦光滑的和粗糙的玻璃棒，把一根玻璃棒用细线吊起，让另一根玻璃棒靠近，发现两玻璃棒相互吸引。为什么同一块丝绸摩擦过的粗糙程度不同的玻璃棒，相互靠近时出现上述实验现象？
猜想与假设1：如果同一块丝绸摩擦过的粗糙程度不同的玻璃棒带相同性质的电荷，那么“同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引”这个规律就是错误的。
实验方案设计：
1.用任意能够找到的完全相同的两个棒状物体（A和B），如玻璃棒、橡胶棒等，摩擦另一种材料的物体，如丝绸、毛皮等。把A物体悬挂，让B物体靠近。
2.用任意不同材料制成的两个棒状物体（C和D）相互摩擦，C物体悬挂，让D物体靠近。按实验方案选取合适器材进行实验，实验时特别注意所用器材与外界接触处的绝缘性能良好，室内空气干燥。
实验现象：方案1的现象是A和B两物体相互排斥。方案2的现象是C和D两物体相互吸引。分析与结论：在方案1中，采用完全相同的物体和另外材料的物体摩擦，这些物体产生的电荷一定是相同性质的电荷，当它们相互靠近时相互排斥，说明“同性电荷相互排斥”这个结论是正确的。在方案2中，不同材料的两物体相互摩擦，根据摩擦起电的原因，这两物体一定带不同性质的电荷，当它们相互靠近时相互吸引，说明“异性电荷相互吸引”这个结论也是正确的。由此，上述猜想是错误的。
猜想与假设2：根据“同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引”，上述实验现象可能是因为同一块丝绸摩擦过的粗糙程度不同的玻璃棒带不同性质的电荷。
实验方案设计：
1.把毛皮摩擦过的橡胶棒悬挂，用光滑的玻璃棒在丝绸上摩擦后靠近悬挂的橡胶棒，然后再用粗糙的玻璃棒在丝绸上摩擦后靠近悬挂的橡胶棒。
2.用丝绸分别去摩擦光滑的和粗糙的玻璃棒，再用这两根玻璃棒先后去接触静电计顶端。
实验现象：方案1中，光滑的玻璃棒和橡胶棒相互吸引；粗糙的玻璃棒和橡胶棒相互排斥。方案2中，发现一根玻璃棒接触静电计后，指针偏转一定的角度；再用另一根玻璃棒接触静电计后，指针偏转角度减小。
分析与结论：对于方案1，根据“同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引”，光滑玻璃棒和橡胶棒所带电荷性质不同，粗糙玻璃棒和橡胶棒所带电荷性质相同，说明光滑的玻璃棒和粗糙的玻璃棒在丝绸上摩擦后产生不同性质的电荷。对于方案2，静电计偏转一定的角度，说明玻璃棒在丝绸上摩擦后产生电荷；静电计指针偏转角度减小，发生了电的中和现象，说明光滑的玻璃棒和粗糙的玻璃棒在丝绸上摩擦后产生不同性质的电荷。由此，假设得到验证。既然玻璃棒与丝绸摩擦后产生电荷的性质与玻璃棒表面的粗糙程度有关，那么物体摩擦后产生电荷性质除了与物体表面的粗糙程度有关外，还与那些因素有关？
猜想与假设：因为在摩擦起电实验中，都是用不同材料的两物体相互摩擦，因此，摩擦起电产生电荷的性质应与物体材料有关。
方案设计：查阅历史上的有关资料，看科学家们对有关摩擦起电产生电荷性质的研究。查阅资料，收集证据：表1（注：王荣槐.电磁学疑难解析.武昌：华中理上大学出版社，1988）是几位科学家根据各自的实验所得的带电序列表，每一序列中的任意两种物体相互摩擦后，靠上位置的带正电，靠下位置的带负电。
表1
威尔彻
法拉第 杰米和鲍特 萧 伏特
意大利
（1959年） （1840年） （1891年）（1917年） （1779年）科学家
玻璃 猫皮 猫皮
玻璃 银
金
毛
毛玻璃
毛
铜
银
羽毛羽毛
毛 猫皮 铁
铜
木 玻璃
羽毛
铅
锡
铝
纸 棉 木 丝
铅
锡
铅 麻布
纸 纸
锌
锌
硫 丝 丝 棉
金属手 松脂
木、铁
木 玻璃
松脂
铁、铜、银硫
铅、硫
结论：由上表可以看出任意两种不同材料的物体之间相互摩擦都可以产生电荷，物体摩擦起电后所带电荷性质与相互摩擦物体的材料有关。特别值得注意的是不同金属在相互摩擦后也可以产生电荷，但我们在做摩擦起电实验时很少用金属，这是因为产生的电荷很容易通过金属导体传走。还可以看到，不同的科学家列出的带电序列表中物质排列顺序并不相同。为什么会出现这些现象呢？科学家们的实验不会有错误，物体摩擦后所带电荷的性质还与什么因素有关呢？
猜想与假设：物体摩擦后所带电荷性质还应与物体本身的一些性质如温度等因素有关。
方案设计：把温度不同的两块玻璃板（温差较大）相互摩擦，把两块玻璃板分别先后接触静电计顶端。
实验现象：发现玻璃板接触静电计后，指针偏转一定的角度，再用另一玻璃板接触静电计后，指针偏转角度减小。
结论：同种材料制成的温度不同的物体相互摩擦后带不同性质的电荷。
摩擦起电现象是一个古老而又复杂的电现象。迄今为止人们对物体摩擦后所带电荷的性质到底与哪些因素有关还没有定论。这里通过一系列的探究，初步知道了影响物体摩擦后所带电荷性质的一些因素：
(1)不同材料的物体由于物质的化学结构不同，直接影响物体摩擦后所带电荷的性质；
(2)物体的温度相差悬殊，摩擦起电后的电荷性质也要发生相应的变化；
(3)物体表面的粗糙程度不同，摩擦后所带电荷性质不同。物理学家萧通过大量实验研究发现（注：王荣槐.电磁学疑难解析.武昌：华中理上大学出版社，1988），在室温下，玻璃表面摩擦系数μ＞0.18时，与丝绸摩擦后玻璃棒带负电；当μ＜0.18时，玻璃棒与丝绸摩擦后带正电。
摩擦起电的原因告诉我们，相互摩擦的两物体，起电后哪个带正电荷，哪个带负电荷，是由物质束缚电子本领大小来决定的。哪个物体的原子核束缚电子的能力较弱，就会失去电子，则该物体就显示出带正电；反之，就带负电。可见，物体摩擦后所带电荷的性质最终由物体的原子核束缚电子的本领决定，不同材料的物体原子核束缚电子本领不同，同种材料的物体当其温度、外表面的粗糙程度等变化后，其原子核束缚电子的本领也发生变化。