06从力学走进电学（静电相关）.docx

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1、物理另说06从力学，走进电学电学，好像是整个中学物理之中，相对力学比较独立的一个篇章。特殊是电流部分，它好像没有力学的受力分析，没有运动现象，好像就是只有看不见的电在那里。那么什么是电？它和力学真的就没有关系吗？大叔这里，从教科书以外的通俗角度，来讲一讲电。一切物理现象，都围围着一个恒（衡）字而来。作为“宇宙灵魂”（18世纪闻名德国哲学家谢林，曾称：“电，是宇宙的灵魂”）的电，也不例外。从“恒”字说起一一电学，也是自然之衡的体现。咱们常言说：“一山不能容二虎，除非一公和一母”，这，就是自然基本规律的本质体现。一一同性相斥，异性相吸，就是自然界求衡的根本趋势。库仑定律，就是这一性质的定量计算模型

2、。电学的根本，就是求衡守恒和“一山不能容二虎，除非一公和一母”的本质倾向。从哲学角度讲，前者是目的，后者是手段。同性相斥，异性相吸，以及因此而产生什么电荷的迁移、电流之类等等，一切行为和手段，就是为了达到最终的“恒电现象，就象高处的水要往低处流一样，是由脱离平衡的种不稳定状态转向稳定状态的过程，只有最终正负相衡，才得以稳定。电荷的根本运动规律，就是为达到电荷的正负平衡，而表现出的同性相斥异性相吸趋势。而这个过程中，就是各种电现象。首先，来说说基本的静电现象和原理：一、什么是电荷。电荷，就是物质微粒（如原子）表现的电性正负不平衡状态。这种状态下，“有”就是“无”，“无”就是“有-一带正电荷，就是

3、没有多余的负电荷；没有多余的正电荷，就是带有多余的负电荷。一切都是相对而生的。至于“什么都有”的阴阳正负平衡的物质微粒是不体现电荷的，那就是“什么都无，一一这一通绕口令，直绕得大叔嘴巴都抽筋了。中华传统哲学理论就认为：正负、或者阴阳的关系，是彼此间“此消彼长”的关系，少了一方，那么就必定体现出另外一方偏多的状态；多了一方，就意味着另一方的相对削减。正电荷的削减，就意味着负电荷的增加；带负电的电子向一个方向的运动，就等价于正电荷向相反方向的运动（虽说事实上并没有）。这就是相对性原理，它是自然哲学的基础，也体现着中华传统哲学中的阴阳辨证关系。所以，有的同学之所以不明白，为什么原本不带电的导体假如一

4、端被感应带负电，而必定相对的一端就带正电的原理，就在于此。这边的负电荷都跑那边了，当然这边就正电荷更多了啊，所以就带正电了啊。学习和驾驭电荷的迁移规律，就尽量不要把它当作是实物的运动。举个例子，把分别为黑白两色且大小相等的钢珠和瓷珠倒在一个塑料盆里混合匀称，那么随意抓一把起来，都是黑白大致平衡的数量，这就是平衡状态；假如用一个大的磁铁在盆外吸，很明显，假如忽视摩擦阻尼，黑色的钢珠就会集中到磁铁那边，另外一侧剩下的，就必定是白色的陶瓷珠子。白色陶瓷珠子根本不用移动，它就能自然相对集中在某一侧。在这边顺手抓一把，大都是白色的。一一所以就是这个道理，导体在静电场中的电荷相对分布，也是一样的。负电荷向

5、某一个方向的迁移，也就等价于正电荷朝相反方向的迁移。须要引起留意的是一一尽管可以这样想象，但是，请不要把电荷当作是带负电的电子或者是带正电的原子核或者其他什么微粒。其实电荷只是一种性质，它不是一种“物体”。电荷的“运动”，就是这种性质的迁移或者感应传递，并非肯定是详细的某带电微观粒子在力学运动。例如导体中的电流，其速度就等于光速，哪一个带电微粒（即使是电子）的直线运动速度能等于光速？一一现代高能探讨机构的大型加速器中，在毫无阻力的真空中用高能加速都办不到！更不要说是在密实的导体如金属中了。假如真要是微粒在导体中力学运动的话，那电流的速度就真是一只很可爱的小蜗牛啦。所谓电荷的迁移和运动，是带电这

6、种性质的传递感应“接力”，而不肯定是某一个详细带电微粒的实际运动（当然，有的时候，也把带电微粒的力学运动，视为电荷运动或者是“电流”，但是这只是一种近似的模型）。说远一点，大家可以把电流类比理解为古代的烽火台的传递效果：古代战乱时期，一旦有外敌入侵，从边关到内地的几百个烽火台就会被快速点燃传递下去，所谓“狼烟四起”就是说的这个。其信息传递的速度，远远超过任何交通工具。往往千里之外的内地，只须要几特别钟，就能马上得到外敌入侵的信息。从而实行应对措施。一一这种传递，它并没有实质的信函和人员飞奔，可是它比任何实际的当时最快的“千里马”都快得多。一一同样的，电流，它也不是实质的带电微粒在沿着导体运动，

7、也只是一种“性质”或“信息”的传递迁移而已。有同学会问，为什么电流的速度是光速？在中学阶段没有深化学习相对论的状况下，大叔尝试着这样说明：因为电流速度和光速一样，它们不是我们这个三维世界的“运动”方式，它的“运动”不能用我们这个三维世界的传统运动模式来理解，它和光速一样，体现了更深层次的自然基本规律。它的速度是一种更高维度的“存在”，而不是我们通常所说的“速度”。所以，电流、电磁波，它也不是什么我们通常所理解的“流淌”和“运动”，或许，说成是一种“存在”的“传递”或感应，更贴切一些。一一OK,闲谈不多说，简洁的这里就只是顺带一提。当然，为了简化言辞和省事，在许多地方，我们仍旧用运动”来代表电荷

8、的这种迁移。这是一种文字上的简化，并非电荷迁移的实质。在详细分析些问题的时候，就须要我们从实质动身，才更清晰。二、电荷的产生和相互作用规律。电，事实上是一一原来内部实现了正负平衡的物质微粒，在某种状况和影响下，失去or获得一些某种电荷，表现出“阴盛阳衰”或者“阳强阴弱”的短暂不平衡的特性（前者带负电，后者带正电），而不是详细的物体。一一这，在宏观上，就是物体的带电。理论上讲，任何物体，只要它是实际存在的物质，都可以带电。关于电荷的守恒定律，一个与外界没有电荷交换的系统，其电荷的代数和保持不变一一这是自然界根本定律之一，也反映着“恒”的基本定律。电荷的相互作用，本质上就是“同性相斥异性相吸”的表

9、现。在这种作用下，体现出各种电现象。1、从微观到宏观的吸引与排斥：这是电的本质规律的干脆反映。同种电荷的带电体相互靠近，假如是非导体，如橡胶、玻璃棒等，就会因电荷无法在内部自由迁移，而把电荷间相互排斥的力，传递到宏观的橡胶和玻璃棒上来，形成宏观力的作用，我们就会视察到力的排斥作用；反过来，带异性电荷的带电体相互靠近，也会由于电荷不能在物体内自由迁移，而把吸引力传递到物体本身上，而形成宏观的吸引力。至于带电体对于轻小物体的吸引，则是由于轻小物体朝向带电体侧，感应生成了与带电体异性的电荷的缘由。我们在小学或者初中时候知道的静电现象,之所以都是非导体才能明显视察到力的效果,就是这个缘由。而对于导体来

10、说，电荷在其中的迁移自由，所以同性电荷之间的排斥、异性电荷之间的吸引，在导体内部，就可以完成，因传递到物体而体现在宏观上的力学效果，就弱得多。2、感应与屏蔽感应现象，本质上是“同性相斥异性相吸”原理，带电体之所以能够吸引轻小物体，就是因为因感应而产生与带电体异性的电荷，相互吸引。感应生电，本质上，就是带电体的电性，吸引了旁边物体上的异性电荷，或排斥了旁边物体上的同性电荷而形成的。理论上，带电体靠近任何物体，都会有感应现象。程度不同而己。静电场中，导体的电荷两端极化分布，分布的目的，就是为了使内部的电场强度复原为O（即内部实际电场=外电场感生形成电场=0）。即“静电平衡:即回到未受电场影响的平衡

11、状态。这也反映了一种求“恒”的规律。屏蔽的本质，也与静电的感应现象一样，由于“同性相斥异性相吸”原理生成的导体感应电荷电场，与外部电场之间的相互抵消取得静电平衡，导致内部不受外部电场的影响。静电平衡的导体，内部电场到处为0。整个导体是等势体，表面是等势面。空腔导体，在电场中静电平衡，则内部无电场，内部不受外部电场的影响，这也叫静电屏蔽。而当屏蔽导体罩接地的状况下，屏蔽导体罩被内部电场感生出的外部电荷，也将流向大地，成为既屏蔽外电场，又屏蔽内电场的屏蔽方法。3、孤立绝缘导体上电荷的分布任何带电的孤立导体，由于其自身内部电荷迁移的自由性，加之所带电为同种电荷，所以电荷在“同性相斥异性相吸”原理下，

12、会分布于导体表面，不论导体的困难形态如何，均分布在外表面。关于带电导体的电荷分布问题，在中学阶段仅仅要求定性驾驭而已，它的定量分析，在高校专业物理中才会详细涉及，如高斯定理等。中学生现有的物理和数学学问，还不足以深入驾驭它。三、电荷的定向迁移电流，可以把它理解为电荷的定向迁移，这种定向，就是依据电势差而定，电荷总是向电势差落差更大的方向迁移，以达到更快速地削减自己的电势能，趋向于最终回复平衡不带电状态，这个过程，就是电流。电流的方向，就是从电势能落差最大的方向走，电流的速度，就是光速。带电粒子流，具有电流的性质（带电、流淌），能够模拟电流的特点，但是并非严格意义上的电流。首先，速度就达不到。电

13、荷的迁移和带电粒子的运动在前面，我们已经知道电荷“运动”是怎么一回事了。现在来侃侃电荷的“运动”规律：导体中的电荷运动，是彼此相邻的粒子把带电这种性质进行瞬间传递的宏观过程。一个绝缘外界的独立导体，靠近一个带电体的时候，导体物质微粒的极性，会瞬间变更：电场力就象大风吹过小树林，全部小树的枝叶，都将顺着风向而指向远端，全部小树的根部，也就相对成了最靠近风向的部位了。这个时候，我们就会认为：这片小树林，靠近风向的一端，露出的都是树根，背离风向的一端，伸出的都是树叶。独立导体的电荷分布，就类似于此（当然，风只有排斥力，没有对树根的吸引力，这点与电荷状况不同）。靠近带电物的一侧，都体现出与带电物相互吸

14、引的异性电荷，远离带电物的一侧，都体现出与带电物相互排斥的同性电荷。关于大地，通常，我们认为大地是零电，接地，就是接零。缘由在于一一地球基本可以视为一个独立的导体，不受外界影响，而内部全部带正电和带负电的物体，对于地球整体系统来说，都实现了动态的平衡（这就象在力学中我们通常以地球为相对静止参照一样），地球整体，带电就看为0。大地的电势为0。不论是低于0的负电荷，还是高于0的正电荷，都可以和大地建立电荷的移动关系，以实现电荷的平衡一一不带电。而大地对于电荷的接纳实力，可以认为是无限大。所以，一般而言（留意，是一般状况下），带电物体在接地后，就会不带电。A静电带电体的电荷迁移规律：1、同性相斥，异

15、性相吸，接地为0一简洁的3句。2、自由电荷运动，实际从本质上可以以受到库仑力的状况分析来理解。以正电荷为例，遵循原则为：倾向于往电位落差更大的方向聚集或流淌。电荷在面对。电位的接地和异性电荷的时候，更倾向于异性电荷方向聚集或流淌。一一这样落差更大（如电场线也是这样：电场线指向电势降低最快的方向）。0电位的大地，对于任何电荷都有吸引力，但是均不如异性电荷的吸引实力强。如导体接近带电体的感生电荷，可以分为“主动感生部分”和“相对感生部分”，主动感生部分为受到带电体吸引而产生的异性电荷，倾向于聚集在靠近带电体一侧，不会因接地而消逝（异性电位差更大，电荷更倾向于受到异性的吸引，而不会流向中性。电势的大

16、地）；相对感生部分，可以因接地而消逝大地电势为0,电荷在没有异性电荷的吸引下，可以因接地而消逝。我们一般所说的“大地为远端”的说法，是正确的，但是在对于大家的理解相识上，简洁与导体的实际形态等客观状况产生混淆。所以，大叔建议，干脆就用电荷的吸引排斥力原则和电势差这种最根本的原则，来推断接地时候电荷的具体迁移方式，以免迷惑和混淆。3、关于接地的问题。通常取离场源电荷无限远或者大地的电势能为0。地球是一个大导体，处于静电平衡状态的地球以及与它相连的导体是等势体.事实上常取地球和与地球相连的导体作为电势的参考位置，认为它们的电势为零.规定：无限远处的电势能为零。接地在静电中具有特殊的意义，往往认为，接地就是“电荷中和”，许多人就理解成“一切电荷消逝”，也对也不对。可以从电势的角度来理解接地，大地电势为0,所以一切电荷都有流向大地的趋势，可是电荷的流向，并不是肯定以大地为