靜電排斥實(shí)驗(yàn)失敗原因分析與改進(jìn)

姚 俊

(象山縣西周中學(xué) 浙江 寧波 315700)

1 引言

靜電排斥實(shí)驗(yàn)要想做成功很難，主要有兩個(gè)原因：一是摩擦起電產(chǎn)生的電荷量不多，帶電體間排斥力不強(qiáng)；應(yīng)把這種弱電場(chǎng)力放大，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，便于觀察研究.二是電荷流失速度很大，對(duì)實(shí)驗(yàn)有影響．本文擬介紹筆者在實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題以及對(duì)實(shí)驗(yàn)失敗原因的分析，并提出了對(duì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的一些看法．

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 主要器材與實(shí)驗(yàn)裝置

器材：鐵架臺(tái)，裝訂用的棉線，空心錫球(化學(xué)實(shí)驗(yàn)室拿來(lái)的錫箔做的)，絲綢，玻璃棒.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1

2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

用絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒靠近小球，小球被玻璃棒吸住.拿開(kāi)玻璃棒使之與小球脫離然后再靠近，細(xì)線偏離豎直方向較小角度，持續(xù)較短時(shí)間后再次與玻璃棒吸引.此后只能觀察到吸引不再出現(xiàn)排斥現(xiàn)象．

2.3 原因分析

對(duì)上面現(xiàn)象進(jìn)行分析：

“拿開(kāi)玻璃棒使之與小球脫離然后再靠近，細(xì)線偏離豎直方向較小角度”說(shuō)明玻璃棒與空心錫球接觸后空心錫球帶上電，有排斥現(xiàn)象發(fā)生.

“角度較小”有可能是錫球太重的緣故，也可能是摩擦產(chǎn)生電量太小，排斥力弱．

“此后基本上只能觀察到吸引不再出現(xiàn)排斥現(xiàn)象”說(shuō)明空心錫球上電荷流失速度很快．造成電荷流失的原因可能是細(xì)線絕緣性能不好，錫球上的電荷傳遞到鐵架上；也可能是由于空氣濕度大，電荷流失到空氣中．

2.4 原因排除

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)電荷流失過(guò)快應(yīng)是造成實(shí)驗(yàn)失敗的主要原因，因此必須找出電荷流失的渠道：是細(xì)線還是空氣？取一段與細(xì)棉線同樣長(zhǎng)度且絕緣性更好的膠線(筆者選的是釣魚(yú)線)替換細(xì)棉線連接錫球，絲綢摩擦玻璃棒后接觸錫球，錫球迅速?gòu)楅_(kāi)，來(lái)回?cái)[動(dòng)，用手指夾住膠線迫使小球靜止，觀察發(fā)現(xiàn)錫球偏移角度變大，且保持排斥狀態(tài)的時(shí)間明顯變長(zhǎng)，由此確定細(xì)棉線絕緣性不好是電荷流失過(guò)快的主因．

實(shí)驗(yàn)有了初步成功，但現(xiàn)象依舊不理想：球接觸玻璃棒后來(lái)回?cái)[動(dòng)不易靜止，且靜止后偏角過(guò)小不方便課堂演示學(xué)生觀察．接觸玻璃棒排斥開(kāi)后，來(lái)回?cái)[動(dòng)不易停止，主要是由于錫球質(zhì)量大、慣性大.因此還需找出一種更輕的材料制作小球．

2.5 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

圖2

經(jīng)過(guò)反復(fù)思索,尋找材料，最后改進(jìn)實(shí)驗(yàn)如下：從塑料捆扎繩中分出很細(xì)的一根作為連接小球的細(xì)線(釣魚(yú)線由于硬度高、彈性大、不易直，最終放棄)，空心小球用包香煙錫紙去紙后的錫箔制成.

為了檢測(cè)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)效果，選擇實(shí)驗(yàn)室用的錫箔、包香煙的錫紙(不去紙)、包香煙的錫箔(錫紙剝掉紙層)三種材料分別做相同大小的空心金屬球.在塑料捆綁繩上取一根細(xì)塑料絲，截成長(zhǎng)度相同的3段連接小球，掛在鐵架臺(tái)上做對(duì)比試驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)裝置如圖2.

為了方便對(duì)比分析，筆者用數(shù)碼相機(jī)固定在選定位置進(jìn)行全程拍攝，最后得到對(duì)比結(jié)果.

表1 三種空心金屬球靜電排斥實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3 總結(jié)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1號(hào)球張開(kāi)的角度最小，3號(hào)球的張角最大.由此我們可以得到，連接繩與金屬球的選擇恰當(dāng)與否是影響實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵．由于摩擦起電所產(chǎn)生的電量本身比較少，再加上電荷在空氣中不可避免的流失，要想獲得非常明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象首先要選擇絕緣性能好的懸掛線，其次還需要盡可能的把金屬球質(zhì)量減小(使小球發(fā)生較大角度偏移同時(shí)減小慣性的影響)，體積適當(dāng)?shù)淖龃?方便觀察、現(xiàn)象明顯)．

物理實(shí)驗(yàn)容易受到很多因素的影響，這就要求我們?cè)谶M(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)時(shí)要明察秋毫，不放過(guò)任何瑕疵，追根究底，找出原因并加以改進(jìn)，提高自身的研究能力和動(dòng)手能力．