徐建強(qiáng)
(盧氏縣第一高級中學(xué)物理組 河南 盧氏 472200)
筆者在教學(xué)中,遇到這樣一道易錯題:當(dāng)帶正電導(dǎo)體A靠近一個絕緣導(dǎo)體B時(shí),由于靜電感應(yīng),B兩端感應(yīng)出等量異種電荷.將B左端接地,絕緣導(dǎo)體B帶何種電荷?
錯解:由于靜電感應(yīng)導(dǎo)體B左端帶負(fù)電,右端帶正電.左端接地電荷被導(dǎo)走,導(dǎo)體B帶正電.
正解:接地后B相當(dāng)于近端,大地為遠(yuǎn)端,所以B帶負(fù)電.
解此題后,筆者腦海閃出一個問題,導(dǎo)體一端接地及分離時(shí)電荷在導(dǎo)體上究竟如何分布?通過理論分析后,為驗(yàn)證分析,設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn),并在教學(xué)時(shí)進(jìn)行了演示.
J2310感應(yīng)起電機(jī)1臺,帶有金屬箔片的絕緣導(dǎo)體A與B1對,絕緣球形導(dǎo)體C1個,驗(yàn)電器1個,橡膠棒1個,毛皮1片.
(1)使絕緣球形導(dǎo)體C帶負(fù)電.
方法:搖動起電機(jī),使起電機(jī)一極與C接觸.用毛皮摩擦過的橡膠棒與驗(yàn)電器的小球接觸,使它帶上負(fù)電.使球形導(dǎo)體接觸驗(yàn)電器,發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器金屬鉑片張開的角度變大,說明球形導(dǎo)體帶的是負(fù)電荷.
(2)探究當(dāng)導(dǎo)體一端接地時(shí),電荷在導(dǎo)體的分布情況.
1)使B端接地,觀察現(xiàn)象.當(dāng)絕緣導(dǎo)體A與B靠在一起,放在帶負(fù)電的絕緣導(dǎo)體C旁邊,發(fā)現(xiàn)AB兩端箔片都張開.用手摸一下B端,發(fā)現(xiàn)B端箔片合攏,A端箔片仍張開,如圖1.移開手指,發(fā)現(xiàn)AB兩端箔片沒有變化.移去C,發(fā)現(xiàn)A端箔片張角減小,B端箔片張開.分開AB,發(fā)現(xiàn)AB兩端箔片仍張開.用驗(yàn)電器檢驗(yàn)枕形導(dǎo)體AB兩端帶的都是正電.當(dāng)用手摸A端時(shí),以上觀察結(jié)果沒有變化.
圖1
分析:手摸導(dǎo)體B端,人便把導(dǎo)體與大地連通,使大地參與了電荷轉(zhuǎn)移.因此,導(dǎo)體本身的電荷不再守恒,而是導(dǎo)體與大地構(gòu)成的系統(tǒng)中電荷守恒.由于靜電感應(yīng),A端仍為正電荷,大地遠(yuǎn)處感應(yīng)出等量負(fù)電荷,則B端的負(fù)電荷通過人體流走,B端不帶電,即此時(shí)電荷只分布在A端.移開手指,大地與導(dǎo)體分離,由于異種電荷相互吸引,正電荷仍分布在A端.移去C后,A端電荷在AB上重新分配,使得AB都帶上正電荷.當(dāng)用手摸A端時(shí),分析相同.
圖解:如圖2.
2)手摸A端,移去手指,分開AB,發(fā)現(xiàn)A端箔片仍張開,B端箔片仍合攏;移去C,A端箔片仍張開,B端箔片仍合攏.用驗(yàn)電器檢驗(yàn)A帶的是正電.當(dāng)用手摸B端時(shí),以上觀察結(jié)果沒有變化.
分析:手摸導(dǎo)體A端時(shí),由于靜電感應(yīng),A端仍為正電荷,大地遠(yuǎn)處感應(yīng)出等量負(fù)電荷,則B端的負(fù)電荷經(jīng)A端通過人體流走,B端不帶電,所以B端箔片合攏.先分開AB,后移去C,則A端電荷不能重新分配給B,所以A帶正電,B不帶電.
3)使C帶上正電荷重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)過程,現(xiàn)象同上.
此實(shí)驗(yàn)宏觀地展現(xiàn)了微觀世界;明確了枕形導(dǎo)體靜電感應(yīng)時(shí),當(dāng)導(dǎo)體一端接地,導(dǎo)體帶上異種電荷,但電荷只分布在靠近帶電體的一端,移去帶電體后,電荷才重新分布在整個導(dǎo)體上.如果接地后分開枕形導(dǎo)體,則使得電荷只分布在靠近帶電體的一端.實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對靜電感應(yīng)及電荷守恒定律有了更進(jìn)一步認(rèn)識,處理此類習(xí)題時(shí),能夠快速地選擇出正確答案,從而為解題找到一種新的方法——實(shí)驗(yàn)法.
圖2
圖解:如圖3.
圖3