自制驗(yàn)電器的設(shè)計(jì)及思考

陳飛飛

(西南大學(xué)物理學(xué)院科學(xué)教育研究中心 重慶 400715)

由于電學(xué)中靜電演示實(shí)驗(yàn)的敏感性，很多自制驗(yàn)電器存在著不能長期使用和靈敏性低的問題.本文將介紹一種自制低成本驗(yàn)電器，效果明顯，妥善保存后能多次重復(fù)使用，大大提高了其使用性.

1 自制驗(yàn)電器的設(shè)計(jì)

1.1 材料和工具

空玻璃罐(水果罐頭瓶)，電烙鐵，鉆孔器，粗砂紙，8cm長的銅棒，6cm長的細(xì)銅絲，膠水，錫箔紙(香煙盒中取，點(diǎn)燃后把紙燒掉剩下一層錫紙)，小刀，剪刀，蠟燭，泡沫塑料塊(厚度大于2cm).

1.2 制作步驟

(1)將玻璃罐清洗干凈，給罐底加熱除去罐內(nèi)的濕氣，并保持干燥.

(2)用小刀將泡沫塑料塊切成玻璃罐罐口大小，并使各表面光滑.

(3)用粗砂紙將粗1cm，長8cm的銅棒打磨成兩頭和棒身光滑.

(4)用鉆孔器在銅棒一端約0.5cm處鉆出小孔，將打磨光滑的細(xì)銅絲穿入并把銅絲在銅棒的兩側(cè)彎成對等的三角形，三角形的底邊向下，如圖1.

(5)用電烙鐵焊接三角形頂端與銅棒的連接處，注意焊接處用砂紙打磨光滑.

(6)把錫箔紙用小刀裁成上寬0.3cm，下寬0.6cm，長2.5cm的紙條2根(邊角處用剪刀修剪光滑).折后分別用膠水粘合在兩個細(xì)銅絲三角形的底邊上,保證錫箔紙條的上端能繞銅絲轉(zhuǎn)動，如圖2.

(7)用鉆孔器將泡沫塑料塊中間鉆出小孔，將銅棒從另一端穿進(jìn)去，并把棒身豎直放進(jìn)玻璃罐中(銅棒冒出罐口約為2.5cm).

(8)用蠟燭油將泡沫塑料塊和罐口的接觸處密封.

制作完畢的驗(yàn)電器如圖3.

圖3 制作完畢的驗(yàn)電器

2 自制驗(yàn)電器的思考

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)思考

(1)靜電實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵取決于絕緣情況，要盡量避免電荷的流失.因此，驗(yàn)電器表面應(yīng)清潔干燥，銅棒表面應(yīng)光潔無銹蝕，實(shí)驗(yàn)臺等都應(yīng)用絕緣性能良好的材料，如有機(jī)玻璃、石蠟、塑料等.

(2)驗(yàn)電器的重要部位是絕緣塞，所以本驗(yàn)電器中的泡沫塞厚度大于2cm,并用蠟燭油密封更能比其他簡易驗(yàn)電器保證絕緣性能[1].

(3)實(shí)驗(yàn)中銅棒的上下端要用砂紙打磨成半橢球狀，并且細(xì)銅絲彎成三角形邊緣和錫箔紙的邊緣都要處理光滑.因?yàn)椋趯?dǎo)體上面電荷密度的大小與表面的曲率有關(guān).導(dǎo)體表面凸出而尖銳的地方曲率較大，電荷的分布比較密集.又由于導(dǎo)體外表面附近空間的場強(qiáng)E與導(dǎo)體表面的面密電荷度σ成正比,即

所以導(dǎo)體尖端附近的場強(qiáng)大，電場特別強(qiáng)，它會導(dǎo)致一個重要的后果，就是尖端放電[2].因?yàn)樵诩舛烁浇鼜?qiáng)電場的作用下，空氣中殘留的離子會發(fā)生激烈的運(yùn)動，在激烈的運(yùn)動過程中它們和空氣分子相碰時(shí)，會使空氣分子電離，從而產(chǎn)生大量新的離子，使空氣變得易于導(dǎo)電.空氣中與尖端上電荷異號的離子受到吸引而趨向尖端，最后與尖端上的電荷中和，使尖端上的電荷逐漸消失.而驗(yàn)電器是為了接受、存儲電荷并使其均勻分布，故在制作中將材料表面處理光滑，能防止尖端放電，便于電荷的傳遞和儲存.

(4)細(xì)銅絲彎成的兩個三角形大小和形狀要對等[3]，這是為了接受和存儲等量的電荷，使電荷均勻分布在兩片正對的錫箔紙上，產(chǎn)生更好的實(shí)驗(yàn)效果.

(5)本實(shí)驗(yàn)中錫箔紙的形狀能保證其上端更容易繞銅絲轉(zhuǎn)動，錫箔紙下端能分布更多的電荷，使實(shí)驗(yàn)中的張角更加明顯.

2.2 實(shí)驗(yàn)說明

(1)實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)電器要保持水平放置.因?yàn)轵?yàn)電器水平放置才能使錫箔紙受到的重力和電荷排斥力達(dá)到平衡.

(2)在潮濕的空氣中驗(yàn)電器效果不明顯是因?yàn)槌睗裉鞖饪諝庵杏写罅克魵?，它們在溶解了一些空氣中離子，此時(shí)空氣就會導(dǎo)電，帶走驗(yàn)電器上的電荷.

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)通過加大絕緣塞的厚度和加入蠟燭油密封的兩個處理提高了驗(yàn)電器的絕緣性能，使其更適于重復(fù)使用和長期保存;在制作中對實(shí)驗(yàn)材料的防止尖端放電處理，更保證了電荷的傳遞和儲存，使實(shí)驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行;此外，實(shí)驗(yàn)中對錫箔紙形狀的細(xì)節(jié)處理能使驗(yàn)電器更靈敏，產(chǎn)生更好的實(shí)驗(yàn)效果.總之，制作驗(yàn)電器是一項(xiàng)既要動手也要動腦的活動，它從問題出發(fā)，要經(jīng)歷一系列主客體的互動過程，是一個靈活運(yùn)用知識和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行主體發(fā)揮的過程.由于本實(shí)驗(yàn)的敏感性，制作過程不但要求耐心細(xì)致，更要勇于探索和思考.通過制作低成本驗(yàn)電器，學(xué)生的思想和意志得到磨練，知識得到內(nèi)化和鞏固，實(shí)驗(yàn)動手能力得到提高，科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度得到培養(yǎng)，對學(xué)生的全面發(fā)展具有一定的實(shí)際意義.

參考文獻(xiàn)

1 孟桂成. 驗(yàn)電器制作與使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì). 物理教學(xué)探討，2005，23(243)：60

2 趙凱華，陳熙謀. 電磁學(xué)(第1版). 北京：高等教育出版社，2003. 47

3 康利民. 談驗(yàn)電器的保養(yǎng)和維修方法. 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2002，18(3)：32