自制電風車演示尖端放電的操作及原理探究

黃正玉

(深圳市第二實驗學校 廣東 深圳 518021)

全日制普通高級中學教科書《物理》(第二冊)以及現行的人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理·選修3-1》對尖端放電現象的處理上，均以避雷針作為靜電感應現象應用的實例．筆者對尖端放電實驗進行了探討，發現采用自制風車演示尖端放電實驗趣味性強，課堂效果明顯．并在實驗基礎上對其原理進行了初步探索．

1 實驗探究

(1)電風車的結構制作

材料和工具： 易拉罐，縫衣針，泡沫板，剪刀，直尺，圓規，鱷魚夾，導線，范式起電機，手搖靜電起電機.

圖1

簡單制作過程：按圖1所示尺寸，先在白紙上畫出一個圓和8條切線．再用雙面膠將白紙粘貼在剪開平壓后的易拉罐金屬薄片上．然后用剪刀按照實線將易拉罐金屬片剪出．

將圖1的4個尖端朝同一側彎折成圖2實物照片所示．再在圓心處用針尖按一個凹坑，在凹坑處插入縫衣針，一個電風車就做成了,如圖3所示．

圖2 圖3

(2)電風車的實驗操作

實驗1：將自制電風車插在泡沫板上，用帶鱷魚夾的導線將縫衣針和靜電起電連接，手搖起電機，可看到風車轉動起來．如圖4所示．

實驗2：操作者站在泡沫板上，一手扶著范式起電機的起電球，另一手拿著風車下的縫衣針，如圖5所示.改變距離觀察轉速的關系．結果如表1.

圖4 圖5

風車與起電球距離/cm15254070100轉速慢中快中慢

實驗3：操作者不接觸范式起電機．身體離起電機20 cm，左、右手各拿一個風車，觀察到兩個風車均快速旋轉．

2 理論探微

問題1:什么是尖端放電？

尖端放電是在強電場作用下，物體尖銳部分發生的一種放電現象．屬于一種電暈放電．

問題2：為什么導體尖端電荷密度大？

將導體設想成為兩個半徑不同的導體球組成，先將兩個導體球分別帶上不同的電荷量，如果說兩個導體電勢相同，則導體球的帶電情況如何？

當尖端部分分布的電荷密度增大到一定程度時，周圍將產生很強的電場，導致周圍空氣電離，最終使得尖端的電荷向空氣中釋放，形成尖端放電．

問題3:放電的風車為什么會旋轉？

風車尖端放電時，風車尖端的電荷將運動到空氣中，根據反沖運動原理，風車將受到相反方向的作用力，從而使風車向著尖端的反方向旋轉起來．

3 實驗解釋

實驗1和實驗2的旋轉可以很容易的用上面知識解釋．然而為什么，實驗2的旋轉快慢會和風車的距離有關呢？筆者覺得有如下影響因素．

因為15 cm距離太近，電場太強，導致風車除4個尖端外的其他邊緣處也都在放電，因而合力距變小，旋轉效果反而不好．100 cm距離太遠，電場不夠強，尖端放電不夠明顯．而40 cm處風車的尖端的放電剛好達到飽和，而風車的其他位置并沒有放置，整個風車4個偏向一側的尖端受到最大的力矩．所以旋轉效果最好．

實驗3，由于身體未直接接觸起電機，因而電風車的電場不會出現過強或過小的情況，所以旋轉情況和距離沒有太大關系，尖端放電恰好達最佳狀態．