巧設實驗助力學生對電勢能的理解

薛昊

摘 要：電勢、電勢能是中學物理教學的難點之一，學生難以構建相關的物理概念，其中重要的原因之一就是缺少實驗來輔助學生深入理解物理概念和相關規律.本文利用簡單器材設計了一個小實驗，讓學生直接感受到電荷在電場中具有電勢能，此實驗突破了學習電勢能的難點.

關鍵詞：電勢能;實驗;難點

電場是高中物理選修3-1部分內容，由于電場看不見、摸不著，教學上雖然交代了電場與實物是物質存在的兩種不同形式，但學生仍難以理解，對于區別于實物的具有空間可入性的電場還是難以接受.同時，電勢能、電勢是電場中重要的物理概念，也是高中物理教學的難點之一，關于電勢能和電勢的教學與討論的研究工作很多，也致力于關于如何讓學生理解電勢能等相關概念，但是由于缺乏相關的物理實驗支撐，所以對學生來說，很難建構這兩個相關的物理概念.為了幫助學生形象理解，筆者從能量轉化與守恒定律出發，設計了一個能夠讓學生直接感受到電荷在電場中具有電勢能的實驗.

一、實驗裝置

學生電源（12V），靜電感應起電機（J23108275）、平行金屬板一對（直徑20cm）、多個泡沫小球（外裹金屬箔），鐵架臺一個.實驗用金屬箔球的選擇可以是直徑為1-3cm的圓型球（也可以是直徑為2.5cm，厚為1.5cm的圓柱體），金箔可選包裝盒內層的鋁箔，另外，我們還需要橡膠棒和毛皮.實驗裝置如圖1和圖2所示.

二、實驗設計

實驗中我們利用圓盤狀平行板電容器作為提供勻強電場的裝置，圓盤直徑為20cm，板間距為5-8cm.極板通過與毛皮摩擦過的橡膠棒接觸帶電，極板上電荷均勻分布，可視為等勢體.為了讓實驗效果顯著，圓柱形金屬箔球的直徑達到2.5cm， 厚度為1.5cm.圓柱形金屬箔球的帶電方式可以有三種：與毛皮摩擦的橡膠棒接觸帶電;與帶電圓盤極板接觸帶電;利用靜電感應，將圓柱形金屬箔球置于平行板之間偏離中間位置的區域，靜電感應使箔球帶電.

三、實驗過程及現象

如圖1所示，原來靜止在下極板上的金屬箔球在感應起電機工作后，上下跳動起來，有的小球能撞到上極板.也就是說，感應起電機的兩個接線柱和兩個平行極板相連接，將金屬箔球放置于下極板上，搖動感應起電機手柄，由于受到電場力作用，金屬箔球受力迅速上升，與上極板接觸后，金屬箔球帶正電，從而金屬箔球會在電場力作用下實現往復運動.

四、實驗分析

下極板上的金箔球帶有與下極板同種的電荷，因為相互排斥，我們觀察到的實驗現象為金屬箔球向上運動，運動和高度的提升意味著箔球自身動能和重力勢能的增加，根據能量轉化與守恒定律，可以得出這樣的結論：箔球所增加的機械能應該是由其它某種形式的能量轉化而來的，而這種能量應該是由于帶電箔球處于電場中所具有的能量.其與重力場中處于某一高度的物體具有重力勢能類似，處于靜電場中的帶電體具有一定的勢能，稱為電勢能.

五、實驗效果

上述實驗現象較明顯，演示效果較好，但也會由于某些因素的影響而使實驗受到干擾，下面我們分析該實驗的可能影響因素及避免方法.首先考慮實驗損耗，通常情況下，由于實驗次數的增加，摩擦會使感應起電機的兩個小鐵刷逐漸磨損，導致帶電量不足并影響到實驗效果.其次考慮環境因素的影響，如果空氣不夠干燥，通常需要利用電熱風將起電機及周圍空間保持干燥，實驗效果會更佳.最后關于實驗現象的演示，可能會出現小球運動速度過快，學生觀察不到位的情況.可人為設計降低小球運動速度的方法，從而延長實驗時間，提升學生的觀察效果.大致方法如下：用絕緣木夾夾著箔球，使箔球與毛皮摩擦過的橡膠棒相接觸，使之呈負電性，之后將帶電箔球放入平行板之間，松開箔球，箔球會在電場力作用下向上運動，由于帶電方式改變，使箔球帶電量減小，其所受到的電場力減小，小球速度變小，從而便于學生觀察實驗現象.

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