平行板電容器演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

張紹虎

目前高中物理課本都用平行板電容器和靜電計(jì)組成的電路來探索影響平行板電容器的因素，這是上好“電容器電容”這堂課必不可少的一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)。同于①是靜電實(shí)驗(yàn)具有電壓高、電量少的特點(diǎn)，儀器的漏電不易克服；②是由于靜電計(jì)指針較小，偏轉(zhuǎn)角度小的情況下，坐在教室后排的學(xué)生無法觀察到明顯現(xiàn)象。所以在教學(xué)過程中一般教師是放棄這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，而直接給出結(jié)論。筆者經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，基本上解決了上述儀器漏電和可視性兩大難題，現(xiàn)介紹如下。

1儀器的漏電問題

1.1靜電計(jì)的絕緣性能是決定實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵，首先我們要了解實(shí)驗(yàn)基本原理：平行板電容器電容量(幾百一幾千pF)，所帶的電量遠(yuǎn)大于靜電計(jì)電量，在實(shí)驗(yàn)過程中可近似認(rèn)為平行板電容器帶電量不變。靜電計(jì)的電容很小(中間金屬桿看作電容器一極，金屬外殼看作另一極，電容量20pF左右)，帶的電量也很小，它的漏電會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。平行板電容器、導(dǎo)線、靜電計(jì)三者可以看作三只并聯(lián)電容器。在實(shí)驗(yàn)中靜電計(jì)的電容量看作基本不變，那么根據(jù)U=Q／c，靜電計(jì)帶電量Q決定了指針偏轉(zhuǎn)角大小，同時(shí)反映了平行板電容器兩極電勢差，所以我們又把靜電計(jì)稱作電勢差計(jì)。盡管現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)十分發(fā)達(dá)，有許多測量電勢差的先進(jìn)儀器。但是其它電學(xué)測量儀器都不可能做到輸入阻抗無窮大，即測量電勢差儀器輸入端只要接上平行板電容器兩極板后，實(shí)際上就提供了一條電容器放電回路。實(shí)驗(yàn)往往以失敗告終。這就是目前人們?nèi)匀粚?duì)這種既古老又簡陋的靜電計(jì)情有獨(dú)鐘的原因。

通過上述分析，我們應(yīng)當(dāng)把解決漏電的重點(diǎn)放在靜電計(jì)上面。先用洗潔精把靜電計(jì)內(nèi)外清洗一遍，再用清水洗去洗潔精，然后把它曬干。因?yàn)檫@些灰塵在空氣潮濕時(shí)將成為肉眼看不見的細(xì)微漏電通道。靜電計(jì)的金屬桿與金屬外殼依靠塑料塞絕緣隔開。由于材料老化也會(huì)成為漏電的主要因素。解決的做法，可用聚苯乙烯或聚乙烯塑料薄膜在塞子上包1 2層，再固定住，也能起到很好的絕緣效果。在課堂實(shí)驗(yàn)前打開玻璃面蓋，用電吹風(fēng)反復(fù)吹靜電計(jì)內(nèi)部5min，再把一包烘干成藍(lán)色的干燥劑放入靜電計(jì)內(nèi)(這種稱作硅膠的干燥劑內(nèi)有氯化鈷作指示劑，藍(lán)色表示空氣干燥，紅色要重新烘干后才能繼續(xù)使用)，經(jīng)過這樣處理后，即使在南方梅雨季節(jié)做該實(shí)驗(yàn)效果也很理想。

1.2平行板電容器的漏電問題也應(yīng)重視，如果把平行板電容器帶電量比喻一大桶水，那么靜電計(jì)帶電量僅僅是一杯水而已。靜電計(jì)的漏電和平行板電容器漏電都不能忽視。我的做法是把鋁制的平行板電容器清洗烘干處理后，在它的表面貼上一層塑料薄膜。這樣即使兩板靠近相碰也不會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

1.3導(dǎo)線要盡量短，導(dǎo)線的電容量1pF左有，導(dǎo)線越長導(dǎo)線電容量越大。兩根導(dǎo)線不能相互接觸，特別要防止連接靜電計(jì)中間金屬桿的導(dǎo)線與靜電計(jì)外殼接觸而產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

1.4建議儀器使用完后，最好用塑料袋把平行板電容器和靜電計(jì)分別封裝后保存起來，免得下次實(shí)驗(yàn)又要重新清洗。

2可視性問題

2.1課堂演示實(shí)驗(yàn)的目的是為了讓全班的學(xué)生都能看清實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。一般情況下靜電計(jì)是豎立放在桌面上，坐在后排的學(xué)生很難看清楚。把靜電計(jì)平放在透射式投影儀上放大后映示在墻壁上，成效顯著。靜電計(jì)后面的一塊玻璃是磨砂玻璃不透光的，可以用一塊透明玻璃取而代之，在上面用黑漆標(biāo)上刻度，普通的靜電計(jì)稍加改進(jìn)便使實(shí)驗(yàn)可視性大為改觀。

另外靜電計(jì)也要挑選一下，我們把靜電計(jì)水平放置，左右晃動(dòng)一下。挑選指針轉(zhuǎn)動(dòng)靈敏、平衡性較好的來使用。實(shí)踐證明靜電計(jì)指針起始位置15度左右，平行板電容器電勢差改變后指針偏轉(zhuǎn)角度較大，當(dāng)兩板電勢差從0.75kV改變到2kV時(shí)，指針偏轉(zhuǎn)角度可從15度改變到45度，演示現(xiàn)象十分明顯。

2.2實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)存的平行板電容器都是放在水平導(dǎo)軌支架上。左右可移動(dòng)的，但是要改變兩板的相對(duì)面積效果不佳。我的做法是用一根摩擦起電實(shí)驗(yàn)用的硬塑料棒鋸成兩截，在兩棒上各鉆一個(gè)直徑5mm的小孔，把它們套在一根5mm粗的鋼絲上。然后找一個(gè)口字型的金屬架子，把套有塑料棒的粗鋼絲固定在左右直桿上。再把兩塊鋁極板分別裝配在塑料棒上，如塑料棒太粗，可以用砂輪打磨至能插入鋁極板固定孔為止。由于平行板電容器的位置抬高了，學(xué)生看得更清楚。更重要的是我們?cè)诟淖儍蓸O板相對(duì)面積s上方便多了。只要雙手分別握住兩塑料棒前后錯(cuò)開一下就行了，相對(duì)面積變化范圍從0～S。要改變板間距d，可以握住兩塑料棒左右移動(dòng)也很方便。要改變電容器的介電常數(shù)s，可在懸掛的兩極板間插入1—2塊有機(jī)玻璃板(可借用做油膜法實(shí)驗(yàn)用的有機(jī)玻璃板)。這里提醒大家注意的是如果插入有機(jī)玻璃板時(shí)不慎介質(zhì)與帶正電的鋁極板發(fā)生摩擦。會(huì)使實(shí)驗(yàn)得到相反的結(jié)論。不變情況下指針偏角應(yīng)該變小，現(xiàn)在顯示結(jié)果指針偏角口變大了，令人困惑不解。其實(shí)很好解釋，在人教版的全日制普通高級(jí)中學(xué)教師教學(xué)用書中P105有一張“材料帶電序列表”，我們可以查到金屬鋁排在有機(jī)玻璃前，也就是說摩擦后鋁板的正電荷量要增加，所以在兩極板間插入介質(zhì)時(shí)，不要與極板發(fā)生摩擦。

2.3為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，平行板電容器兩極板可用起電機(jī)讓它帶上足夠的正、負(fù)電荷。如果指針偏角太大的話，可以用手交替多次握一下兩根導(dǎo)線塑料外皮讓它慢慢放電，使靜電針指針指到合適的位置。