中學(xué)物理靜電實(shí)驗(yàn)成敗因素及對(duì)策

謝光梅

【摘 要】物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理學(xué)的一切理論或假說(shuō)，都是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的。物理學(xué)在理論上作出的任何結(jié)論，都要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，以判斷其正確的程度。而對(duì)于物理教學(xué)更是需要通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生形成概念。所以，在物理教學(xué)中，必須充分體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)的主要地位和重要作用。

【關(guān)鍵詞】中學(xué)物理；靜電實(shí)驗(yàn)；絕緣材料

在中學(xué)物理教材中，介紹電學(xué)部分的知識(shí)，首先就是通過(guò)靜電實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的。因此靜電實(shí)驗(yàn)成功以否是以后教學(xué)成敗的關(guān)鍵，而靜電實(shí)驗(yàn)卻是教師們最感頭痛的教學(xué)內(nèi)容。不少教師認(rèn)為靜電實(shí)驗(yàn)特別難以捉摸，不易保證成功，只有天氣干燥時(shí)才好做。其實(shí)，只要把握了靜電實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，還是可以做好靜電實(shí)驗(yàn)的。

靜電實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)：一是電壓高、二是電量少，這可以用兩個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明：

實(shí)驗(yàn)一：將家庭電路的火線用絕緣導(dǎo)線接到驗(yàn)電器的金屬球上，把地線接到驗(yàn)電器的外殼上，便可見(jiàn)驗(yàn)電器指針箔片張開(kāi)，但其張角不大，約在10°以內(nèi)。再把一帶靜電的帶電體去接觸另一驗(yàn)電器的金屬球，驗(yàn)電器指針箔片張角要大得多，有時(shí)甚至幾乎張成直角?？梢?jiàn)，此時(shí)指針箔片的電壓高到幾百伏特乃至幾千伏特，這表明一般帶靜電導(dǎo)體的電壓是相當(dāng)高的。

實(shí)驗(yàn)二：用毛皮摩擦一下塑料襯板，使襯板帶電后，把用絕緣絲線（長(zhǎng)為0.2米）吊著的兩個(gè)輕且薄的小紙片（質(zhì)量為20毫克），放在帶電的塑料襯板上，用手指觸一下每張紙片后移開(kāi)，兩紙片由于靜電感應(yīng)就帶上同種電荷，提起絲線兩紙片便互相排斥而張開(kāi)，這時(shí)紙片所受到的重力mg、電力F和懸線上的張力T互相平衡，它們有如下關(guān)系：

=tgα即F=mgtgα=mg

若紙片很小，其所帶電量可以用點(diǎn)電荷的庫(kù)侖定律F=來(lái)進(jìn)行估算：

測(cè)出紙片分開(kāi)的距離d為0.04米，則估算出紙上的電量的庫(kù)侖數(shù)為10-9數(shù)量級(jí)。我們知道一個(gè)手電筒小電珠上每秒鐘流過(guò)的電量約為1/3庫(kù)侖，這個(gè)數(shù)量是紙片帶電量的一千萬(wàn)倍?？梢?jiàn)，紙片所帶的電量是非常微小的。

如果把這帶電的紙片與驗(yàn)電器的金屬球接觸，驗(yàn)電器指針箔片的張角很大，這說(shuō)明紙片帶電量雖很少，但電壓卻很高。

由于帶靜電的物體的電壓很容易達(dá)到幾百伏特甚至幾萬(wàn)伏特，這就使得帶電體很容易漏電，通常情況下的絕緣體如木頭、玻璃等已很難起到絕緣作用。而帶電量少又使得漏電過(guò)程極快，一漏就光，因此做好靜電實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是解決電荷的流失問(wèn)題。

影響電荷流失的因素主要有絕緣材料的性能、環(huán)境的濕度情況、儀器的清潔程度以及實(shí)驗(yàn)者的操作習(xí)慣。下面分別討論這些因素對(duì)實(shí)驗(yàn)成敗的影響：

1.絕緣材料的性能

取傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材玻璃棒、橡膠棒和有機(jī)玻璃棒、塑料棒進(jìn)行絕緣性能對(duì)比檢驗(yàn)，以找出合適靜電實(shí)驗(yàn)的絕緣材料。

檢驗(yàn)方法：手握待驗(yàn)材料一端，使另一端與帶電的驗(yàn)電器金屬球接觸。若驗(yàn)電器指針箔片張角不動(dòng)（或張角稍有減少，但移去材料后又恢復(fù)張角），這就是合適的絕緣材料。

檢驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)代高分子材料良好的絕緣性能遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)材料。一些材料絕緣性能差是由于材料本身的導(dǎo)電性引起的，材料的導(dǎo)電現(xiàn)象是在材料內(nèi)部及表面層產(chǎn)生的，在靜電實(shí)驗(yàn)中電荷從材料由人體傳入大地而漏電，現(xiàn)代高分子材料絕緣性能極好，有效杜絕了這方面的漏電。故如今的摩擦起電實(shí)驗(yàn)常用有機(jī)玻璃棒代替玻璃棒，用塑料棒代替橡膠棒，實(shí)驗(yàn)效果良好，但這些材料若使用不當(dāng)也難成功。

2.環(huán)境濕度的情況

長(zhǎng)期以來(lái)多數(shù)教師認(rèn)為濕度是影響靜電實(shí)驗(yàn)成敗的主要因素，所以在靜電實(shí)驗(yàn)之前總是把實(shí)驗(yàn)儀器、器材等仔細(xì)烘烤，以保證實(shí)驗(yàn)成功，這樣給實(shí)驗(yàn)增添了不少麻煩，特別在霉雨季節(jié)就是帶上烘干箱也難保證實(shí)驗(yàn)的成功。那么，環(huán)境濕度是否直接影響著實(shí)驗(yàn)的成敗呢？為此可做如下實(shí)驗(yàn)：

將摩擦棒、綢子、毛皮等實(shí)驗(yàn)器材經(jīng)過(guò)清潔處理后，改變環(huán)境濕度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究其成功率與環(huán)境濕度的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)只要實(shí)驗(yàn)器材保持清潔，環(huán)境濕度增加95%以上成功率仍極高。甚至可在霉雨季節(jié)里將實(shí)驗(yàn)器材清潔處理后，浸泡在清水中一天一夜，取出擦干即進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仍取得一次性成功。

由此可見(jiàn)，環(huán)境濕度并非影響靜電實(shí)驗(yàn)成敗的主要因素，而儀器的清潔程度或許更為重要？

3.儀器的清潔處理

將清潔處理后的實(shí)驗(yàn)器材在相同濕度條件下（夏季干燥季節(jié)實(shí)驗(yàn)），分別浸入不同濃度的酸、堿、鹽等溶液中進(jìn)行污染，然后取出涼干進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摩擦棒一經(jīng)污染后，成功率立即大大降低。

分析原因，當(dāng)材料受酸、堿、鹽等電解質(zhì)污染時(shí)，由于材料表面的污染層具有導(dǎo)電性，從而大大降低了絕緣性，在這種情況下，電荷是經(jīng)過(guò)污染層由人體傳入大地產(chǎn)生漏電的。又由于電解質(zhì)的水溶液才具有導(dǎo)電性，因此在潮濕氣候環(huán)境下用受酸、堿、鹽等污染過(guò)的實(shí)驗(yàn)器材、儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是不易取得成功的。而其對(duì)靜電實(shí)驗(yàn)的影響正是通過(guò)污染層起作用的。

當(dāng)然，器材、儀器進(jìn)行清潔處理后，靜電實(shí)驗(yàn)中漏電現(xiàn)象仍然存在，但這時(shí)漏電現(xiàn)象是電荷直接向周圍潮濕空氣中漏電的，其速度往往比較慢。另外，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材玻璃棒、橡膠棒等經(jīng)過(guò)清潔處理后，不用烘烤也能較好進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，雖然其效果遠(yuǎn)不如現(xiàn)代高分子材料。故可得出結(jié)論：環(huán)境濕度對(duì)靜電實(shí)驗(yàn)影響不大，而儀器的清潔程度才是影響靜電實(shí)驗(yàn)的主要因素。

4.實(shí)驗(yàn)者的操作習(xí)慣

以上實(shí)驗(yàn)和分析有力地證明了在材料選定之后，清潔程度是保證靜電實(shí)驗(yàn)成功的主要因素。然而長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)靜電實(shí)驗(yàn)器材的清潔處理卻不被重視，用骯臟的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)當(dāng)然很難取得成功，可見(jiàn)要保證實(shí)驗(yàn)成功，還有個(gè)不容忽視的因素：實(shí)驗(yàn)者的操作習(xí)慣。

通過(guò)平常的觀察發(fā)現(xiàn)，靜電實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)儀器的擺放，實(shí)驗(yàn)者手握材料的部位等等都能對(duì)實(shí)驗(yàn)效果造成影響，值得一提的是一些教師在課堂上滿手粉筆灰就抓起實(shí)驗(yàn)器材做實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果可想而知，所以實(shí)驗(yàn)前務(wù)必洗凈雙手。

綜上所述，要保證靜電實(shí)驗(yàn)的成功就必須保證實(shí)驗(yàn)器材、儀器的清潔，為此我們必須在實(shí)驗(yàn)前對(duì)所有實(shí)驗(yàn)器材和儀器進(jìn)行清潔處理，只要認(rèn)真做到清潔處理工作，解決了電荷的流失問(wèn)題，便可保證即使在潮濕環(huán)境下也能順利地進(jìn)行靜電實(shí)驗(yàn)。endprint