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2015-09-08
事后,富兰克林用莱顿瓶收集的雷电,做了一系列的实验,进一步证实了雷电与普通电完全相同。
富兰克林的这一风筝实验,彻底地击碎了闪电是“上帝之火”、“煤气爆炸”等流行的说法,使人们真正认识到雷电的本质。因此,人们说:“富兰克林把上帝与闪电分了家。”
富兰克林的风筝实验绝不是一时冲动所做的。早在数年前,他就致力于电的研究,并在当时人们不知“电为何物”的时代,指出了电的性质。
在一次研究的意外事件中,他得到启迪。有一次,他把几只莱顿瓶连在一起,以加大电容量。不料,实验的时候,守在一旁的妻子丽德不小心碰了一下莱顿瓶,只听得“轰”的一声,一团电火花闪过,丽德被击中倒地,面色惨白。她因此休息了一个星期身体才得到康复。
“莱顿瓶发出的轰鸣声,放出的电火花,不是和雷电一样吗?”富兰克林大胆地提出这个设想。经过反复思考,他推测雷电就是普通的电,并找出它们两者间的12条相同之处:都发亮光;光的颜色相同;闪电和电火花的路线都是曲折的;运动都极其迅速;都能被金属传导;都能发出爆炸声或噪声;都能在水或冰块中存在;通过物体时都能使之破裂;都能杀死动物;都能熔化金属;都能使易燃物燃烧;都放出硫磺气味。
1747年,富兰克林把他的这些想法,写成论文《论雷电与电气的一致性》。他将论文寄给他的朋友、英国皇家学会会员科林逊。可当科林逊将论文送交皇家学会讨论时,得到的是一阵嘲笑。许多权威科学家认为富兰克林的观点荒唐无比,“把科学当作儿童的幻想”。
对于权威人士的嘲笑、奚落,富兰克林不予理睬,终于在做好各种准备的情况下,冒着生命危险,做了风筝实验。
富兰克林从风筝实验中,不但了解了雷电的性质,而且证实:雷电是可以从天空“走”下来的。“高大建筑物常常遭到雷击,能不能给雷电搭一个梯子,让它乖乖地‘走’下来呢?”富兰克林想。
正当富兰克林思考这一问题的时候,不幸从俄国彼得堡传来消息:1753年7月26日,科学家利赫曼为了验证富兰克林的实验,在操作时,不幸被一道电火花击中身亡。这更坚定了富兰克林研制避免雷击装置的决心。
他先在自己家做实验:在屋顶高耸的烟囱上,安装一根3米长的尖顶细铁棒;在细铁棒的下端绑上金属线;沿着楼梯,把金属线引到底楼的一个水泵上(水泵与大地有接触);将经过房间的那段金属线分成两段,且将两股线相隔一段距离,各挂一个小铃。这样,如果雷电从细铁棒进入,经过金属线进入大地,那么,两股线受力,小铃就会晃荡,发出响声。
一天,电闪雷鸣,暴风雨就要来了。在雷声、雨声的“伴奏”下,守候在房间小铃旁的富兰克林,听到了小铃发出的清脆、悦耳的声音。他高兴地笑了。
富兰克林把那根细铁棒称为“避雷针”。
避雷针的问世,引起了教会的反对。他们认为:“装在屋顶的尖杆指向天空是对上帝的不敬。”“干涉上帝的事,对上帝指手划脚,是要受上帝惩罚的。”
然而,有一次在一场雷雨之后,神圣的教堂着火了,而装有避雷针的房屋却平安无事。于是,避雷针的作用被人们认识,避雷针也很快地传开了。至1784年,全欧洲的高楼顶上都用上了避雷针。
富兰克林的发现统一了天电和地电,破除了人们对雷电的迷信。储存了天电的莱顿瓶可以产生一切地电所能产生的现象,这就证明了天电与地电是一样的。
2.电荷
(用提问的方法复习初中学过的知识)
演示:用和丝绸摩擦后的玻璃棒去接触验电器的金属球,发现箔片张开,表明玻璃棒带了电。
师问:摩擦起电现象是什么?有什么特点?
生答:摩擦过的物体具有了吸引轻小物体的性质,这种现象叫摩擦起电,这样的物体就带了电。
师问:自然界中存在哪几种形式的电荷?摩擦起电中跟丝绸摩擦过的玻璃棒带什么电?跟毛皮摩擦过的橡胶棒又带什么电?
生答:正负两种电荷,玻璃棒带正电,橡胶棒带负电。
师问:电荷间的相互作用是什么?
生答:同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。
师问:它们所带的电荷的多少叫什么?单位是什么?
生答:电荷量(Q),单位是:库仑(C)
师问:这种使物体带电的方法叫什么?
生答:摩擦起电。
(教师用验电器演示验证摩擦起电和接触起电)
3.带电本质
教师:引导学生阅读教材最后一段有关物质内部微观结构的描述,思考和回答问题:
(1)物质的微观结构是怎样的?摩擦起电的原因是什么?
(2)什么是自由电子,金属成为导体的原因是什么?
学生:积极阅读教材,思考并回答问题。
教师引导学生总结出:带电的本质是电子的得失。
4.起电方式
师问:使物体带电方式有哪些?
生答:摩擦起电、接触起电。
师问:除了摩擦起电、接触起电外,还有没有可以使物体带上电的方法?
生答:人们发现还有感应起电。
教师:1.做课本演示实验1.1-4,观察在带正电的C向A、B靠近时,A、B的箔片张开情况.
2.分析现象并结合检验,得到A、B分别带上了负电荷和正电荷。
3.把电荷移近不带电的物体,使物体带电的方法,叫感应起电,这种现象叫静电感应。
师生共同分析感应起电的实质:是使物体中的正负电荷分开,电荷从物体的一部分转移到另一部分。
师问:摩擦起电、接触起电、感应起电三种起电方式的微观机理是否相同?起电实质是什么?
生归纳总结:1.摩擦起电:原因是电子的转移。
2.接触起电:原因仍是电子的转移。(同时弄清楚了电量均分现象和中和现象。)
3.感应起电:仍是电子的转移。
5.电荷守恒
通过三种起电方式原因的分析,由学生总结得出起电过程中电荷守恒:
电荷既不能创造,也不能消灭,只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一部分,在转移的过程中,电荷的总量保持不变。
并与能量守恒定律、动量守恒定律等相类比,指出他们都是自然界中普遍存在的规律。(指导学生学习中也要有知识的迁移、总结、类比、融会贯通。)
做出电荷守恒定律的另一表述:
一个与外界没有电荷交换的系统,电荷的代数和总是保持不变。
过渡语:这是物理学中重要的基本定律之一。通过前面的学习,清楚了物体带电的本质,而一个带电体究竟带多少电?经过大量实验证明,所有带电体的电荷量或者等于电荷量e或者是电荷量e的整数倍。
6.元电荷
(学生阅读教材相关内容)回答下列问题:
1.电荷的多少如何表示?它的单位是什么?
2.什么是元电荷?一个电子就是一个元电荷吗?
3.元电荷的数值是多少?它的数值最早是由哪位物理学家测定的?
学生总结得出:
1.元电荷:人们把自然界中最小电荷叫做元电荷,电荷量为1.6×10-19C。
2.元电荷是电荷量的单位(1.6×10-19C作为一个电荷量单位),不是指某电荷。
3.电子和质子的电荷量均为e,所有带电体的电荷量等于e或者是e的整数倍。
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