例談電壓表和靜電計(jì)的區(qū)別

摘?要：電學(xué)實(shí)驗(yàn)是高考的必考內(nèi)容。電壓表和靜電計(jì)是電學(xué)中常用的儀器，它們均可用來測量電勢差，但由于構(gòu)造和原理不同，其應(yīng)用本質(zhì)上也有所不同。

關(guān)鍵詞：電學(xué)儀器;電壓表;靜電計(jì);構(gòu)造;原理;應(yīng)用

中學(xué)物理學(xué)科核心素養(yǎng)是指物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任這四個(gè)方面。而科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。我們在學(xué)習(xí)中，不但要掌握知識點(diǎn)的概念和規(guī)律，靈活運(yùn)用所學(xué)知識解決問題，更要學(xué)會分析解決問題和探究問題的實(shí)質(zhì)，培養(yǎng)解決問題的能力，最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)。下面就電壓表和靜電計(jì)兩種電學(xué)儀器為例，它們同是測量電勢差，但本質(zhì)卻不相同，筆者從構(gòu)造、原理和應(yīng)用上進(jìn)行分析說明。

一、 問題的提出

電壓表和靜電計(jì)是電學(xué)中常用的儀器，它們均可用來測量電勢差，但很多同學(xué)會提出這樣一些問題：為什么靜電計(jì)能測電勢差？它的理論依據(jù)是什么？能否用電壓表來測平行板電容器兩極板間的電勢差？電壓表和靜電計(jì)測電勢差有什么不同之處嗎？等等。

辨析：正確答案為CD。

很多同學(xué)得出了錯(cuò)誤的答案A，其原因在于對電壓表和靜電計(jì)的構(gòu)造、原理及其應(yīng)用的區(qū)別不清楚，才導(dǎo)致上述錯(cuò)誤。

對于靜電計(jì)和電壓表，我們不僅要知道其構(gòu)造，還要知道其原理，更要知道其應(yīng)用和區(qū)分。只有這樣我們才能真正了解和掌握靜電計(jì)和電壓表。

二、 靜電計(jì)的構(gòu)造、原理及其應(yīng)用

（一）構(gòu)造

靜電計(jì)是在驗(yàn)電器的基礎(chǔ)上制成的，如圖2所示。在金屬外殼中絕緣的安裝一根金屬細(xì)桿，細(xì)桿的上端是金屬小球，細(xì)桿的下部是一根可以偏轉(zhuǎn)的金屬指針，并附有一個(gè)圓弧形標(biāo)尺來顯示指針偏轉(zhuǎn)的角度。

（二）原理

驗(yàn)電器的金屬球、金屬桿的指針與金屬外殼是彼此絕緣的，所以指針與外殼之間構(gòu)成了一個(gè)電容值很小的電容器。使用時(shí)把靜電計(jì)與帶電的電容器兩極板相連接（通常外殼還要接地以確保實(shí)驗(yàn)安全），相當(dāng)于兩個(gè)電容器并聯(lián)。當(dāng)電容器帶電時(shí)，靜電計(jì)也就帶了電。其可動指針和固定指針因帶有同種電荷而相互推斥，使可動指針張開一定角度。穩(wěn)定時(shí)指針張角φ與指針的帶電荷量Q成正比，而Q又與靜電計(jì)得到的電勢差（電容器兩極板間的電勢差）成正比，即Q=CU，所以靜電計(jì)指針張角的大小反映出了帶電的平行板電容器兩極板間的電勢差的大小。

（三）應(yīng)用

由靜電計(jì)的工作原理可知，利用靜電計(jì)可以用來測量靜電場中的電勢差，由于靜電計(jì)的金屬桿與金屬外殼之間是絕緣的，在用它測電勢差時(shí)是斷開的，所以指針穩(wěn)定時(shí)靜電計(jì)中是無電流的。

【例2】?在如圖3所示的實(shí)驗(yàn)中，平行板電容器的A極板與靜電計(jì)相連，B極板接地，若將B極板稍向上移動一點(diǎn)，試根據(jù)觀察到的靜電計(jì)指針變化，判斷出平行板電容器電容變小的說法正確的是（??）

A. 兩極板間電壓不變，極板上的電量變大

B. 兩極板間電壓不變，極板上的電量變小

C. 兩極板上的電量幾乎不變，兩極板間電壓變大

D. 兩極板上的電量幾乎不變，兩極板間電壓變小

解析：分析時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：其一，靜電計(jì)指示的是平行板電容器的電壓;其二，此實(shí)驗(yàn)操作過程中可以認(rèn)為平行板電容器極板上電荷量幾乎不變。故A、B答案不正確。

當(dāng)靜電計(jì)指針變化時(shí)則表示電容器上的電壓的變化。

當(dāng)電容器的B極板稍向上移動一點(diǎn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明指針的偏角變大，即平行板電容器的電壓變大。由于平行板電容器AB極板上的電荷量幾乎不變。據(jù)電容器的電容定義式C=QU可知，平行板電容器的電容變小，所以答案為C。

三、 磁電式電壓表的構(gòu)造、原理及其應(yīng)用

（一）靈敏電流表的構(gòu)造

中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室里所用電表是磁電式儀表，（如圖4所示）其構(gòu)造是在一個(gè)很強(qiáng)的蹄形磁鐵的兩極間固定一個(gè)圓柱形鐵芯，鐵芯外面固定一個(gè)可以繞軸轉(zhuǎn)動的輕質(zhì)鋁框，在輕質(zhì)鋁框上繞有線圈，輕質(zhì)鋁框的轉(zhuǎn)軸上固定兩個(gè)螺旋式彈簧和一個(gè)指針，線圈的兩端點(diǎn)分別接在這兩個(gè)螺旋式彈簧上，被測電流經(jīng)過這兩個(gè)螺旋式彈簧流入線圈。

圖4?電流表的構(gòu)造

（二）工作原理

蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場是按輻向均勻地分布的，（如圖5所示）當(dāng)線圈中有通過電流時(shí)，線圈上跟轉(zhuǎn)動軸軸平行的兩邊導(dǎo)線都會受到安培力作用，這兩個(gè)安培力產(chǎn)生的力矩使線圈轉(zhuǎn)動，線圈轉(zhuǎn)動時(shí)會使螺旋彈簧扭動，彈簧產(chǎn)生一個(gè)阻礙線圈轉(zhuǎn)動的力矩，力矩增大線圈轉(zhuǎn)過的角度也增大，當(dāng)兩者的力矩相平衡時(shí)，線圈便停止轉(zhuǎn)動。因而可以根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)角度的大小，知道被測電流的大小。如果通過線圈的電流方向發(fā)生變化，線圈所受安培力的方向也改變，指針的偏轉(zhuǎn)方向隨之發(fā)生變化，所以我們根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向，來確定被測電流的方向。

（三）應(yīng)用

電壓表是由磁電式電流表改裝而成的，電壓表要有示數(shù)，就必須有電流通過;若沒有電流通過電壓表，即便有電勢差，電壓表也無法測其電勢差。

【例3】?如圖6所示，U形導(dǎo)體框abcd處在勻強(qiáng)磁場中，勻強(qiáng)磁場的磁感強(qiáng)度為B，方向垂直紙面向里。長度為L的直導(dǎo)線MN中間連接一電壓表，直導(dǎo)線MN跨接在ab和cd上，且與ab、cd垂直，MN與框架間是完全光滑的。C為電容器，R為電阻。現(xiàn)使直導(dǎo)線MN以速度v0向右勻速運(yùn)動，用q表示電容器所帶的電量、U表示電壓表的讀數(shù)、F表示對MN的拉力、C表示電容器的電容（由于電壓表的體積很小，MN間電壓受線圈切割磁感線的影響可忽略不計(jì)），則（??）

解析：此題容易錯(cuò)選C，但正確答案選B。

在導(dǎo)線MN做切割磁感線運(yùn)動，由法拉第電磁感應(yīng)定律知導(dǎo)線MN兩端有電勢差，由于電路中有電容器，回路中無電流。只有電流通過電壓表時(shí)，電壓表會有讀數(shù)。若無電流通過，即便電壓表兩端有電壓，電壓表也是不會有示數(shù)的。由于電路中無電流，也就不受安培力。故B選項(xiàng)正確。

在靜電場中若兩導(dǎo)體間存在電勢差，當(dāng)兩導(dǎo)體間接入電壓表后，由于電荷的定向移動而會使電荷重新分布，靜電場中的電勢也會改變。如果我們把例題2的電容器兩極板間接入一塊電壓表，會出現(xiàn)什么結(jié)果呢？答案是電容器兩極板所帶的等量異種電荷，通過電壓表放電完全中和，電壓表示數(shù)為零，因而靜電場中電勢差不能用電壓表測量。

在明確了電壓表和靜電計(jì)的構(gòu)造、原理和應(yīng)用后，例題1是不是也就容易解決了。

對例題1的再認(rèn)識：當(dāng)電鍵S閉合后，電路中有電流通過，電容器處于充電狀態(tài);當(dāng)充電結(jié)束，電路穩(wěn)定后電路中沒有電流，由于無電流通過電壓表因而其讀數(shù)為零，這時(shí)電壓表相當(dāng)于一個(gè)非常大阻值電阻而將電容器C1短路，電源與在電容器C2連接，由于靜電計(jì)與電容器C2并聯(lián)，因而靜電計(jì)兩端的電勢差等于電源電動勢E，所以正確答案為CD。

總之，靜電計(jì)和電壓表雖然都是用來測量電勢差的儀器，但其構(gòu)造、原理及應(yīng)用都有本質(zhì)上的不同。我們要正確區(qū)分它們，不僅要知其一（構(gòu)造），知其二（原理），更要知其三（應(yīng)用）。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭金山，陳金貴.運(yùn)用物理方法培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)：以魯科版·高中物理選修3-1為例[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2019（10）：109-110.

作者簡介：

李茂華，山東省臨沂市，山東省平邑第一中學(xué)。