靜電實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

張德霞

(環(huán)縣環(huán)城初級(jí)中學(xué) 甘肅 慶陽(yáng) 745700)

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靜電實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

張德霞

(環(huán)縣環(huán)城初級(jí)中學(xué) 甘肅 慶陽(yáng) 745700)

對(duì)靜電實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，介紹如何克服環(huán)境因素的影響，順利完成靜電實(shí)驗(yàn)的方法與技巧.

靜電實(shí)驗(yàn) 改進(jìn) 策略 技巧

高中物理“電場(chǎng)”一章是高中物理的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容之一，因?yàn)殛P(guān)于靜電場(chǎng)概念比較抽象，加上學(xué)生從實(shí)際生活中對(duì)靜電獲取的感性認(rèn)識(shí)較少，所以理解起來(lái)困難重重．若能配合教材內(nèi)容做出對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，不但能增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，而且可以把抽象的概念具體化，便于學(xué)生理解．但實(shí)際教學(xué)中大多數(shù)教師不能全面開出這部分內(nèi)容的對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)，筆者通過進(jìn)一步了解發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學(xué)校不是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備不齊全，也不是物理教師怕辛苦而不愿做實(shí)驗(yàn)，而是因?yàn)榇蠹倚纬梢环N共識(shí)：靜電實(shí)驗(yàn)做起來(lái)不容易成功，想要得到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，有時(shí)甚至事與愿違，出現(xiàn)與想要得到的現(xiàn)象相反的結(jié)果，與其這樣還不如不做，最起碼不會(huì)引起不必要的麻煩．筆者最初做靜電實(shí)驗(yàn)時(shí)，也和他們有著相同的認(rèn)識(shí)．通過幾年反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，筆者探索出一些做靜電實(shí)驗(yàn)方法技巧，現(xiàn)總結(jié)如下，愿與廣大同仁探討．

1 選擇適當(dāng)?shù)摹办o電源”

選擇適當(dāng)?shù)摹办o電源”，即選取有效的起電工具和起電方法.可根據(jù)各校實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不同因地制宜地選取，當(dāng)然最方便快捷的當(dāng)數(shù)高壓起電機(jī)了，常見的有范德格拉夫起電機(jī)[圖1(a)]和維氏靜電感應(yīng)起電機(jī)[圖1(b)]，這兩種起電機(jī)操作簡(jiǎn)便，起電效果好．在實(shí)驗(yàn)室無(wú)以上設(shè)備時(shí)還可用摩擦起電和感應(yīng)起電的方法使物體帶電．

圖1

一般實(shí)驗(yàn)，可用普通的橡膠棒與毛皮組合、玻璃棒與絲綢組合通過摩擦來(lái)起電，再將所取得的電荷傳給需帶電的物體．利用這種方法起電，對(duì)帶電荷量要求不太高的實(shí)驗(yàn)，完全可以得到理想的效果，為提高帶電效率，需要用帶電棒表面各處去接觸需帶電導(dǎo)體，以使絕緣棒各處的凈電荷盡可能多地轉(zhuǎn)移到需帶電導(dǎo)體上．

如果摩擦起電所收集的電荷不能滿足實(shí)驗(yàn)的要求，筆者利用如下方法自制了一個(gè)效果不錯(cuò)感應(yīng)起電盤，可以為收集到更多的電荷：將一只質(zhì)量較好的塑料袋(可用冰箱保鮮膜袋)套在一塊泡沫塑料板上(普通的包裝用緩沖板即可)，塑料袋表面要繃緊，另用一塊平整的帶絕緣柄的金屬板(可直接用演示電容器的極板)．實(shí)驗(yàn)時(shí)，用一塊光潔不掉毛的毛皮快速摩擦套在泡沫塑料板外面的塑料袋，使塑料袋表面帶上大量的負(fù)電荷，用帶絕緣柄的金屬板靠近塑料袋，此時(shí)金屬板在靜電場(chǎng)的感應(yīng)下，下表面帶正電，上表面帶負(fù)電，將金屬板接地又?jǐn)嚅_(實(shí)際中只要快速地用另一只手摸一下金屬板又拿開)，這樣金屬板上就帶上了正電荷．如果需要帶上負(fù)電荷，可以用另一只金屬板與已帶上正電荷的金屬板去感應(yīng)．

2 靜電實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵——絕緣

2.1 選擇絕緣性能好的絕緣材料

有機(jī)玻璃、塑料、橡膠、石蠟、尼龍絲、陶瓷、云母都是適宜做靜電實(shí)驗(yàn)的絕緣材料，比如用于摩擦起電的可直接用手持的玻璃棒和橡膠棒、為了使導(dǎo)體與周圍隔開的絕緣柄、導(dǎo)線的塑料外皮等．在實(shí)驗(yàn)前，可以用靜電計(jì)對(duì)絕緣體的絕緣性能進(jìn)行測(cè)試：先使靜電計(jì)帶電，然后手持絕緣體的一端(或帶絕緣柄導(dǎo)體的導(dǎo)電部分)，用另一端(或有絕緣柄的導(dǎo)體的絕緣體部分)接觸靜電計(jì)的金屬球，或靜電計(jì)的金屬指針示數(shù)不變，說(shuō)明被檢物體的絕緣性能良好，否則表明絕緣性能不佳，要考慮更換或進(jìn)行適當(dāng)處理．

2.2 樹立高度的“絕緣意識(shí)”

要使靜電實(shí)驗(yàn)獲得成功，樹立高度的“絕緣意識(shí)”是順利完成靜電實(shí)驗(yàn)的保證.

絕緣體在一定條件下，可變?yōu)閷?dǎo)體，在靜電實(shí)驗(yàn)中尤其要注意這一點(diǎn)．靜電實(shí)驗(yàn)中的電壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于照明電路中的電壓，所以通常照明電路中的導(dǎo)線外面的絕緣層在照明電路中一般是安全的，但在高壓靜電實(shí)驗(yàn)中，它往往可能會(huì)造成漏電．造成絕緣體絕緣性能下降的原因還有絕緣體表面附著塵埃、油污或者受潮等，所以在做靜電實(shí)驗(yàn)之前，一定要對(duì)所用器材進(jìn)行一次徹底的清潔，利用干布進(jìn)行反復(fù)擦拭，器材受潮的要進(jìn)行除濕，具體措施將器材置于通風(fēng)干燥處接受日光照射或利用暖風(fēng)(如理發(fā)用的電吹風(fēng))進(jìn)行烘干．

靜電計(jì)是靜電實(shí)驗(yàn)中常用的測(cè)量?jī)x器，指針及金屬桿、金屬球必須與金屬外殼之間絕緣，否則可能會(huì)因漏電而導(dǎo)致無(wú)法正常指示．靜電計(jì)的固定桿的下端距金屬外殼很近，使用中帶電荷量較多時(shí)，固定桿下端與外殼之間的空氣可能被擊穿，必要時(shí)要在金屬桿的尖端和外殼之間墊入塑料片等絕緣材料．用導(dǎo)線把帶電體與靜電計(jì)的金屬桿連起來(lái)時(shí)，導(dǎo)線連接的位置(或?qū)Ь€夾)要盡可能遠(yuǎn)離靜電計(jì)的外殼，導(dǎo)線(即使有絕緣皮)一定要強(qiáng)架空，要盡可能遠(yuǎn)離鐵架臺(tái)、桌面等固定物或其他與“地”相通的物體．抓拿絕緣棒或?qū)w的絕緣柄時(shí)，為防止手心汗液影響絕緣柄的絕緣性能，最好用手指操作，而且手盡量遠(yuǎn)離導(dǎo)體部分．操作中也要?jiǎng)幼鬏p巧利落，手或身體的其他部分(包括衣物)要盡量不接近非接地導(dǎo)體，也不要接觸架空的有絕緣皮的導(dǎo)線，另外環(huán)境的溫度和濕度(尤其是后者)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響也比較大，就予以充分的重視．

3 靜電實(shí)驗(yàn)的示例

這里以靜電實(shí)驗(yàn)中難度最大的 “影響平行板電容器電容的因素”為例，談?wù)勅绾尾僮鞑拍芴岣哽o電實(shí)驗(yàn)的成功率．

3.1 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

需要準(zhǔn)備的器材有：維氏感應(yīng)起電機(jī)1臺(tái)，演示平行板電容器1套，靜電計(jì)1臺(tái)，導(dǎo)線若干，另外還需電吹風(fēng)一只，將以上器材準(zhǔn)備齊全后，按前面所述方法全面進(jìn)行清潔和除潮，并且按操作規(guī)程試做一遍，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)處理．遇到天氣比較潮濕的情況，可將處理好的實(shí)驗(yàn)器材裝入密封的裝料袋內(nèi)備用．實(shí)驗(yàn)前一天通知上課班級(jí)不要拖地，地面上也不要撒水，實(shí)驗(yàn)課前要開窗通氣，以保持空氣干燥，這一點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)成功是至關(guān)重要的．

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

圖2 平行板電容器和靜電計(jì)的組裝

按圖2所示方式組裝置實(shí)驗(yàn)器材，兩極板的初始距離以3 cm為宜，裝置時(shí)注意導(dǎo)線AB的A端要盡量高一些，而且將導(dǎo)線AB拉直加空，以使其遠(yuǎn)離靜電計(jì)的金屬外殼(否則，在電容器帶上電荷時(shí)會(huì)很快放電)．導(dǎo)線CD要長(zhǎng)一些，不但中部能垂落于桌面，而且能留給左面極板N的自由活動(dòng)的范圍．導(dǎo)線CD為接地線，可以將其接于專門的接地裝置上，但通常只要在E端留出一裸露的端頭備用．各導(dǎo)線的接頭都要在螺絲下壓平，不要留有毛刺，以防止尖端放電．

在電容器帶電以前，要讓學(xué)生弄清靜電計(jì)的功能，即它的示數(shù)表示金屬桿與外殼之間的電勢(shì)差，這一示數(shù)反映的是電容器兩極板間的電勢(shì)差．

圖3 使電容器兩極板帶電

用感應(yīng)起電機(jī)起電，用一只手抓住導(dǎo)線DE(接地線)的E端，另一只手拿帶絕緣柄的金屬球從起電機(jī)上獲取電荷，并與M板(非接地板)外側(cè)的中央接觸，如圖3所示，使電容器兩極板帶上等量異號(hào)電荷．待靜電計(jì)的示數(shù)穩(wěn)定后，如果示數(shù)呈現(xiàn)緩慢減小，可能是空氣濕度過大引起的，可用提前準(zhǔn)備好的電吹風(fēng)把所用器材表面進(jìn)行加熱烘干后再做．

接下來(lái)，在研究平行板電容器的電容與極板間距、極板正對(duì)面積的關(guān)系時(shí)，先和學(xué)生一起討論好通過怎樣的移動(dòng)去改變極板距離和正對(duì)面積，分析觀察的焦點(diǎn)，然后用手抓住電容器N板(接地板)的底座，掌握好移動(dòng)的尺度(注意身體的任何部位不在碰到非接地導(dǎo)體，也不要拽倒器材或使接地線碰到了非接地導(dǎo)體)，進(jìn)行迅速而準(zhǔn)確的移動(dòng)，同時(shí)觀察靜電計(jì)示數(shù)的變化．

研究電容器的電容與兩極板間介質(zhì)的有無(wú)的關(guān)系時(shí)，一般實(shí)驗(yàn)室里提供的膠木絕緣板插入電容器兩極板時(shí)，能引起靜電計(jì)示數(shù)的變化很小，甚至觀察不到．為了得到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通常可以用厚的塑料板來(lái)做，也可把學(xué)生涂卡用的墊板約10張固定在一起，或把實(shí)驗(yàn)室里用的膠木板兩只捏在一起(如圖4)使用．絕緣板插入兩極板間前，將兩極板間距離調(diào)整為6 cm左右，距離太小容易碰到極板，距離太大會(huì)導(dǎo)致插入電介質(zhì)時(shí)，靜電計(jì)的示數(shù)變化不明顯．插入時(shí)，還要注意絕緣板要與兩極板平行，速度要快，而且手不能碰到極板．

以上3項(xiàng)操作都要待靜電計(jì)的指針停止擺后進(jìn)行，因靜電計(jì)的指針比較靈活，指針指示位置變化時(shí)，一般要擺動(dòng)約數(shù)秒才會(huì)停止，若在指針停止擺動(dòng)前進(jìn)行下一步的操作，可能會(huì)使示數(shù)變化觀察不到．

小結(jié)：只要能認(rèn)真準(zhǔn)備，熟練掌握靜電實(shí)驗(yàn)的操作技巧，靜電實(shí)驗(yàn)將不再難做，它也可以像其他實(shí)驗(yàn)一樣，成為物理課堂上的亮點(diǎn)．

2015-12-01)