靜電實驗的改進

張德霞

(環縣環城初級中學 甘肅 慶陽 745700)

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靜電實驗的改進

張德霞

(環縣環城初級中學 甘肅 慶陽 745700)

對靜電實驗的改進，介紹如何克服環境因素的影響，順利完成靜電實驗的方法與技巧.

靜電實驗 改進 策略 技巧

高中物理“電場”一章是高中物理的重點和難點內容之一，因為關于靜電場概念比較抽象，加上學生從實際生活中對靜電獲取的感性認識較少，所以理解起來困難重重．若能配合教材內容做出對應的實驗，不但能增強學生學習的興趣，而且可以把抽象的概念具體化，便于學生理解．但實際教學中大多數教師不能全面開出這部分內容的對應實驗，筆者通過進一步了解發現，多數學校不是因為實驗設備不齊全，也不是物理教師怕辛苦而不愿做實驗，而是因為大家形成一種共識：靜電實驗做起來不容易成功，想要得到的實驗現象不明顯，有時甚至事與愿違，出現與想要得到的現象相反的結果，與其這樣還不如不做，最起碼不會引起不必要的麻煩．筆者最初做靜電實驗時，也和他們有著相同的認識．通過幾年反復實驗研究，筆者探索出一些做靜電實驗方法技巧，現總結如下，愿與廣大同仁探討．

1 選擇適當的“靜電源”

選擇適當的“靜電源”，即選取有效的起電工具和起電方法.可根據各校實驗設備的不同因地制宜地選取，當然最方便快捷的當數高壓起電機了，常見的有范德格拉夫起電機[圖1(a)]和維氏靜電感應起電機[圖1(b)]，這兩種起電機操作簡便，起電效果好．在實驗室無以上設備時還可用摩擦起電和感應起電的方法使物體帶電．

圖1

一般實驗，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，對帶電荷量要求不太高的實驗，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體，以使絕緣棒各處的凈電荷盡可能多地轉移到需帶電導體上．

如果摩擦起電所收集的電荷不能滿足實驗的要求，筆者利用如下方法自制了一個效果不錯感應起電盤，可以為收集到更多的電荷：將一只質量較好的塑料袋(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)．實驗時，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電荷，用帶絕緣柄的金屬板靠近塑料袋，此時金屬板在靜電場的感應下，下表面帶正電，上表面帶負電，將金屬板接地又斷開(實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．

2 靜電實驗成功的關鍵——絕緣

2.1 選擇絕緣性能好的絕緣材料

有機玻璃、塑料、橡膠、石蠟、尼龍絲、陶瓷、云母都是適宜做靜電實驗的絕緣材料，比如用于摩擦起電的可直接用手持的玻璃棒和橡膠棒、為了使導體與周圍隔開的絕緣柄、導線的塑料外皮等．在實驗前，可以用靜電計對絕緣體的絕緣性能進行測試：先使靜電計帶電，然后手持絕緣體的一端(或帶絕緣柄導體的導電部分)，用另一端(或有絕緣柄的導體的絕緣體部分)接觸靜電計的金屬球，或靜電計的金屬指針示數不變，說明被檢物體的絕緣性能良好，否則表明絕緣性能不佳，要考慮更換或進行適當處理．

2.2 樹立高度的“絕緣意識”

要使靜電實驗獲得成功，樹立高度的“絕緣意識”是順利完成靜電實驗的保證.

絕緣體在一定條件下，可變為導體，在靜電實驗中尤其要注意這一點．靜電實驗中的電壓要遠遠高于照明電路中的電壓，所以通常照明電路中的導線外面的絕緣層在照明電路中一般是安全的，但在高壓靜電實驗中，它往往可能會造成漏電．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，所以在做靜電實驗之前，一定要對所用器材進行一次徹底的清潔，利用干布進行反復擦拭，器材受潮的要進行除濕，具體措施將器材置于通風干燥處接受日光照射或利用暖風(如理發用的電吹風)進行烘干．

靜電計是靜電實驗中常用的測量儀器，指針及金屬桿、金屬球必須與金屬外殼之間絕緣，否則可能會因漏電而導致無法正常指示．靜電計的固定桿的下端距金屬外殼很近，使用中帶電荷量較多時，固定桿下端與外殼之間的空氣可能被擊穿，必要時要在金屬桿的尖端和外殼之間墊入塑料片等絕緣材料．用導線把帶電體與靜電計的金屬桿連起來時，導線連接的位置(或導線夾)要盡可能遠離靜電計的外殼，導線(即使有絕緣皮)一定要強架空，要盡可能遠離鐵架臺、桌面等固定物或其他與“地”相通的物體．抓拿絕緣棒或導體的絕緣柄時，為防止手心汗液影響絕緣柄的絕緣性能，最好用手指操作，而且手盡量遠離導體部分．操作中也要動作輕巧利落，手或身體的其他部分(包括衣物)要盡量不接近非接地導體，也不要接觸架空的有絕緣皮的導線，另外環境的溫度和濕度(尤其是后者)對實驗的影響也比較大，就予以充分的重視．

3 靜電實驗的示例

這里以靜電實驗中難度最大的 “影響平行板電容器電容的因素”為例，談談如何操作才能提高靜電實驗的成功率．

3.1 實驗前的準備

需要準備的器材有：維氏感應起電機1臺，演示平行板電容器1套，靜電計1臺，導線若干，另外還需電吹風一只，將以上器材準備齊全后，按前面所述方法全面進行清潔和除潮，并且按操作規程試做一遍，發現問題，及時處理．遇到天氣比較潮濕的情況，可將處理好的實驗器材裝入密封的裝料袋內備用．實驗前一天通知上課班級不要拖地，地面上也不要撒水，實驗課前要開窗通氣，以保持空氣干燥，這一點對實驗成功是至關重要的．

3.2 實驗過程

圖2 平行板電容器和靜電計的組裝

按圖2所示方式組裝置實驗器材，兩極板的初始距離以3 cm為宜，裝置時注意導線AB的A端要盡量高一些，而且將導線AB拉直加空，以使其遠離靜電計的金屬外殼(否則，在電容器帶上電荷時會很快放電)．導線CD要長一些，不但中部能垂落于桌面，而且能留給左面極板N的自由活動的范圍．導線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，要讓學生弄清靜電計的功能，即它的示數表示金屬桿與外殼之間的電勢差，這一示數反映的是電容器兩極板間的電勢差．

圖3 使電容器兩極板帶電

用感應起電機起電，用一只手抓住導線DE(接地線)的E端，另一只手拿帶絕緣柄的金屬球從起電機上獲取電荷，并與M板(非接地板)外側的中央接觸，如圖3所示，使電容器兩極板帶上等量異號電荷．待靜電計的示數穩定后，如果示數呈現緩慢減小，可能是空氣濕度過大引起的，可用提前準備好的電吹風把所用器材表面進行加熱烘干后再做．

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

研究電容器的電容與兩極板間介質的有無的關系時，一般實驗室里提供的膠木絕緣板插入電容器兩極板時，能引起靜電計示數的變化很小，甚至觀察不到．為了得到明顯的實驗現象，通常可以用厚的塑料板來做，也可把學生涂卡用的墊板約10張固定在一起，或把實驗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，將兩極板間距離調整為6 cm左右，距離太小容易碰到極板，距離太大會導致插入電介質時，靜電計的示數變化不明顯．插入時，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項操作都要待靜電計的指針停止擺后進行，因靜電計的指針比較靈活，指針指示位置變化時，一般要擺動約數秒才會停止，若在指針停止擺動前進行下一步的操作，可能會使示數變化觀察不到．

小結：只要能認真準備，熟練掌握靜電實驗的操作技巧，靜電實驗將不再難做，它也可以像其他實驗一樣，成為物理課堂上的亮點．

2015-12-01)