国际学校网,提供上海北京广州深圳国际学校招生及资讯信息!

关闭

首页 > 国际课程 > AP课程

AP物理知识点分享:头发的静电原理分析(上)

易鹿君

发布日期:2021-12-31 14:37:15

想要马上get一款炫酷的头发同款吗? 那我们首先得弄清楚这头发是怎么做出来的。 好吧,其实这个发型不是被刻意“做”出来的,而是塑料滑梯产生的静电在捣蛋。当小孩滑滑梯的时候,摩擦夺走了小孩身上的负电子,使头发中留下了多余的正电荷,根据同性相斥的原理,这些正电荷在每一根头发上使头发丝相互排斥,才产生了这么炫酷的效果! 你也想尝试一下?别…别急啊,把这篇文章看完再溜! 

本文目录

Electric Charge★

1.1 Intro to Electric Charge   

1.2 Electrons and Protons   

1.3 Conservation of Charge

Charge Distribution★

2.1 Friction

2.2 Conduction

2.3 Induction

Electric Fields★

3.1 Coulomb’s law

3.2 Electric Force V.S. Gravitational Force   

3.3 Electric Fields   

3.4 Electric Field Lines

Electric Potential Energy

4.1 Intro to Electric Potential Energy

4.2 Voltage 

4.3 Voltage: Uniform Electric Field   

4.4 Voltage: Point Charge

1、Electric Charge

1.1 Intro to Electric Charge

Static electricity(静电)是我们生活中非常常见的现象。在特别干燥的时候,我们在换衣服或者和别人接触的时候总是有可能冷不防地被电一下,这就是因为产生了静电。 静电是如何产生的呢? 它的产生与electric charge(电荷)有关。 电荷有两种类型,分别是positive charge(正电荷)和negative charge(负电荷)。

它们有些什么性质呢?最广为人知的性质之一就是“同性相斥,异性相吸”。此外,两个电荷对彼此产生的吸引力或排斥力随着电荷之间距离的增加而减少。 我们怎么知道电荷有两种类型?当我们让某些材料摩擦彼此的时候,某些材料的组合总是在一种材料上产生一种电荷,而在另一种材料上产生相反的电荷。按照惯例,我们称一种电荷为“正电荷”,称另一种电荷为“负电荷”。 

例如,当玻璃棒与丝绸摩擦时,玻璃棒会带正电,丝绸会带负电。由于玻璃棒和丝绸带有相反的电荷,它们会相互吸引(图1a)。而用丝绸分别摩擦的两根玻璃棒会互相排斥,因为每根玻璃棒上都带同性的正电荷(图1b)。同理,两张分别被玻璃棒摩擦的丝绸也会互相排斥,因为两张丝绸都带有同性的负电荷(图1c)。 

【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

图1 

1.2 Electrons and Protons

在我们了解了电荷可以产生的影响后,新的问题出现了!这些电荷是从哪来的呢? 我们知道,普通的物体是由atoms(原子)构成的,而原子又由数量相同的正电荷和负电荷组成。具体来说,负电荷来自围绕着原子核运动的electrons(电子),正电荷则来自protons(质子)组成的原子核(见图2)。

【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

图2 

一个电子和一个质子带有大小相同但符号相反(电子为-,质子为+)的电荷:∣qe∣=1.60×10−19C——这个大小被称为basic charge(基本电荷量)。符号q常用来表示电荷量,下标e表示单个粒子(电子或质子)的电荷量。 自然界中所有带电物体所携带的电荷量都是这个基本电荷量的整数倍,因为任何物体都是由一定数量的电子和质子组成的,而且这个数量一定是整数,不可能出现什么一个物体由2.8个电子和6.2个质子组成的情况! 

1.3 Conservation of Charge

当不同的材料互相摩擦时,电荷会从原子中被分离并转移,尤其是当一种材料对电子的affinity(亲和性,也可以理解成对电子的吸引程度)大于另一种材料时。 比如在图3中,金属和布料本来都是中性的,各自拥有相等的正负电荷(图3a)。它们摩擦彼此时,因为这块金属对电子有更大的affinity,2个负电荷(实际上就是电子)会跑到金属上去,使布料带净正电荷(图3b)。

金属和布料分开后,它们从刚开始的中性转变为带有电性,具体来说就是:金属因为得到两个电子,net charge变成-2,净电荷为负;布料因为失去两个电子,net charge变成2,净电荷为正(图3c)。

【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

图3 

如果留心观察,你会发现金属和布料所带的净正负电荷的绝对值相等(|-2| = |2|)。这意味着什么呢? 这说明,在电荷进行转移的过程中,没有电荷凭空产生或消失。事实上,在任何情况下,一个系统内的总电荷量总是恒定的,这个定律被称为law of conservation of charge(电荷守恒定律)。

2、Charge Distribution

2.1 Friction

让电荷发生转移的方式有几种,上文中的例子所描述的让材料摩擦彼此,使电子发生移动就是其中一种。除此之外,还有其他哪些方式呢? 

2.2 Conduction

有些物质,比如金属和盐水,允许电荷相对容易地通过它们。在这类物质中,一些电子很不安分,并不总停留在物体里的某个具体位置,这些自由电子可以在这类材料中自由地移动。同时满足上述两个条件的物质——

1)拥有自由移动的电子;

2)允许自由电子容易地通过自身——就被称为conductor(导体)。 

其他物质,比如玻璃和纯水,不允许电荷自由通过,这类物质被称为insulator(绝缘体)。绝缘体中的电子被束缚在原子结构中,不能轻易移动。 

当我们想让电子从一个导体转移到一个绝缘体上时,我们可以让它们直接接触,这种通过直接接触转移电荷的方式被称为conduction。 比如在图4中,我们用带正电的玻璃棒直接接触带有电荷的验电器金属顶部。因为玻璃棒是一种绝缘体,它必须实际接触验电器才能使电荷发生迁移。

因为只有自由电子能在金属中移动,根据“异性相吸”的法则,我们可以看到一些电子被带正电的玻璃棒吸引到验电器的顶部,并通过接触溜到玻璃棒上,使验电器带有净正电荷(因为验电器失去了一些“见色忘友”的电子)。

【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

图4 

【真题速递】(2016 Q2) 

【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

解析:在conducting sphere上电荷可以自由地移动,因此当电荷被添加在小球上,电荷可以被传导从而扩散到小球的整个表面;但在insulating sphere上,电荷不能自由移动,只能呆在原地,应该选择C! 

2.3 Induction

为了把一个带电物体上的电荷转移到另一个物体上,这两个物体一定要直接接触吗? 不一定!Induction就是一种在没有直接接触的情况下,可以使带电物体旁边的物体转变为带电荷的状态的方法。 比如在图5中,两个金属球原本靠在一起,都保持中性(图5a)。这时,带正电的塑料棒靠近金属片,把两个小球的负电荷都吸引到了塑料棒这一边,而正电荷则被留在了另一边(图5b)。此时两个小球发生了polarization(极化)——指的是让保持中性的物体中的正负电荷分离。 如果在小球仍然紧贴彼此的情况下把塑料棒拿开,两个小球会恢复到中性状态(又恢复到图5a),因为原本被塑料棒吸引的那些电子(即负电荷)会从左边回到右边的小球,使两个小球拥有同样的净电荷,让整个系统恢复到平衡状态。

【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

图5 

但是!如果在拿开塑料棒之前,我们先把两个小球移开彼此(图6c),结果会有什么不同呢?

【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

图6 

因为小球不贴着彼此了,被吸引到左边小球上的电子没有返回右边小球的路,这些电子只能永远被留在左边的小球上了。此刻左边小球拥有了更多的电子,净电荷为负;右边小球失去了一些电子,净电荷为正(图6d)。 哪怕带电塑料棒压根就没碰到过任何一个小球,两个原本中性的小球还是在它的影响下变成了带电物体! 
【真题速递】(2017 Q6)

【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

这道题目与我们上文讨论的例子十分相似,不过要注意的是,在题目中,是右边的小球先被移开然后再移开rod,属于上文例子中的后一种情况。

【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

图7 

见图7:带电rod靠近左边的小球使其发生极化,负电荷聚集在左边,正电荷聚集在右边;右边的正电荷吸引右边小球的负电荷,并因为接触使一些负电荷转移到左边小球上。

然后我们把右边的小球移开,因为这俩小球不贴在一起了,负电荷就没有返回右边小球的路径了。那么最后左边小球会拥有多余的负电荷,右边的小球因为失去负电荷而带正电。应该选择C!  

3、Electric Fields

3.1 Coulomb’s law

通过科学家们的勤奋工作,静电的主要特征——包括两种电荷(正和负)的存在、“同性电荷相斥,异性电荷相吸”、两个电荷对彼此的作用力随距离的增加而减小——被不断完善,并以数学公式的形式表达出来,这个数学公式就是Coulomb’s Law(库仑定律):【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

Coulomb’s law可以帮助我们计算:当两个点电荷q1和q2之间的距离为r时,两个点电荷之间的力F的大小(是吸引力还是互斥力取决于电荷是同性还是异性,见图8)。公式中的k是一个常数,约等于8.99*109。 【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

图8 

【真题速递】(2016 Q4)

【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

解析:根据Coulomb’s Law,电荷Y对电荷Z施加的力的大小【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上),电荷X对电荷Z施加的力【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

因为F是vector,我们得再分析一下两个力的方向,以求出Y受到的合力。因为同性相斥,异性相吸,两个力可以被这么表示(图9):

【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

图9 

因此Y受到的合力F = 4F – F = 3F,方向向左,选择C! 

结  语

本期的内容就到这里结束了!快去利用学到的静电知识get一份炫酷的头发吧! 别忘了先查收这份思维导图喔
 【AP物理2干货】如何一秒拥有炫酷的头发!(上)

©特别声明,本站遵循行业规范,任何转载的稿件都会明确标注作者和来源,如果来源或作者有误,请及时联系我们更正.

ap化学知识点梳理:从atomos的角度看世界

ap化学知识点梳理:从atomos的角度看世界

当我们开始学习化学, 我们就开始从微观的角度来观察和研究这个世界。今天ap化学知识点梳理里我们就从微观角度,或者原子层次上开始思考物质的组成。 ……[查看]

2023-02-28

ap考试五分容易吗?备考AP这个环节最重要

ap考试五分容易吗?备考AP这个环节最重要

ap考试五分容易吗?在过去,我们针对参加过AP考试的学生做过这样的问卷调查:“作为学生,你觉得在备考AP的过程中哪一部分最重要?”出人意料的是,被选择最多的竟然不是上课 ……[查看]

2023-02-21

热门AP理科学科有哪些?

热门AP理科学科有哪些?

申请竞争日益激烈,标化成绩也是水涨船高,AP成绩作为“优中择优”的标准之一,愈发被名校看重,AP课程除了可以增加名校申请概率、换学分提前毕业这些快被说烂了的原因,还 ……[查看]

2023-02-09

ap心理学是什么,学心理还要学生物?

ap心理学是什么,学心理还要学生物?

ap心理学是什么?大家小时候有瞎拆东西的经历吗? 无论是什么东西——比如遥控器、机器人、雨伞、收音机——只要到了我的手里,就一定会被拆得四分五裂,因为我很好奇这 ……[查看]

2023-02-03

在线咨询

在线咨询

021-63526630

在线咨询