為什么說靜電計是測量電勢差的儀器

沈志斌

在探究平行板電容器電容的決定的因素時，用到了靜電計.課本在附注中指出“靜電計是在驗電器的基礎(chǔ)上改裝而成，是一種用來測定電勢差的儀器”.靜電計是如何實現(xiàn)電勢差的測定呢？這個問題如果不解決，將直接影響到平行板電容器的學(xué)習(xí)效果.

一、從電容并接看電荷遷移

如圖1所示，甲電容器的電容為Cn，不帶電;乙電容器的電容為100CO，帶電量為Q，電勢差為U.現(xiàn)將兩個電容器并接在一起，求并接后達到靜電平衡時：甲、乙電容器兩板間的電勢差;乙電容器遷移到甲電容器上的電荷量.

分析：并接后乙電容器向甲電容器充電，乙電容器上的電荷量減少，電勢差降低;甲電容器上的電荷量增加，電勢差增加;當(dāng)甲、乙電容器的電勢差相等時，即達到靜電平衡狀態(tài)，電荷不再遷移.

問題啟示：可見，當(dāng)一個不帶電的小電容與一個帶電的大電容并接并達到靜電平衡時，大電容上的電荷量、兩板間的電勢差變化很小，或稱為幾乎不變.

二、從靜電計的構(gòu)造分析其工作原理

1.靜電計的構(gòu)造

如圖2所示為靜電計的實物圖：a——金屬小球;A——金屬中心桿;6——金屬指針;D——絕緣塞;B——金屬外殼;c——接線柱（相比于驗電器，多了個接線柱）;整個裝置固定在一個絕緣支架上.

2.靜電計本身就是一個電容器

任意兩個彼此靠近而又絕緣的導(dǎo)體都可以構(gòu)成一個電容器.靜電計本身其實就是一個電容器，金屬球（含金屬桿、指針）相當(dāng)于電容器的一個電極，金屬外殼也相當(dāng)于一個電極，它們之間是絕緣的.其電容的大小由金屬殼的幾何尺寸的大小和金屬桿及指針的長短、位置所決定.因為指針的偏轉(zhuǎn)角變化對靜電計的電容的影響很小，故在指針轉(zhuǎn)動過程中可近似認為靜電計的電容值不變.

3.用靜電計定性測量平行板電容器的

在探究影響平行板電容器的電容因素實驗中，將平行板電容器與靜電計并接，上圖分別呈現(xiàn)了實驗的實物圖，原理圖和電路圖，原理圖中有兩處接地符號，其意義表示將平行板電容器的一個極板和靜電計的外殼接線柱相接.本實驗中，平行板電容器的電容遠大于靜電計的電容，并接過程中，從平行板電容器上遷移到靜電計上的電荷量極小（如上述“從電容并接看電荷遷移”），可以近似認為平行板電容器電量不變.

靜電計指針的張角取決于其電荷量q，據(jù)q =CU，可以認為靜電計電容不隨張角而改變，那么，其電荷量與電勢差成正比，又由于靜電平衡時靜電計兩極板上的電勢差與平行板電容器相等，因此靜電計指針的張角取決于平行板電容器兩極板上的電勢差.當(dāng)靜電計指針張角變大時，說明平行板電容器的電勢差變大，反之則變小.這樣就實現(xiàn)了用靜電計定性測量電勢差的功能.

三、從一個高考題看理解能力的考查

涉及靜電計、電容器的高考題是高頻考題：如圖4中所示的實驗裝置中，平行板電容器的極板B與一靈敏的靜電計相接，極板A接地，若極板A稍向上移動一點，由觀察到的靜電計指針變化作出平行板電容器電容變小的結(jié)論的依據(jù)是（ ? ?）

A.兩極板間的電壓不變，極板上的電荷量變大

B.兩極板間的電壓不變，極板上的電荷量減小

C.極板上的電荷量幾乎不變，兩極板間的電壓變大

D.極板上的電荷量幾乎不變，兩極板間的電壓變小

解析 題干中給出“靈敏的靜電計”，其意義是靜電計的電容很小，有微小的電荷量變化，就會出現(xiàn)指針明顯的變化.因此，平行板電容器極板上的電荷量應(yīng)幾乎不變，據(jù)C=Q/U，極板間的電勢差變小，答案選C.學(xué)習(xí)物理要關(guān)注認知的發(fā)展，初級認知包括了記憶、理解和應(yīng)用，本題定位在理解層面，只有理解了才能實現(xiàn)長時記憶，

其實，靜電計上的微小電荷量來源于被測對象（本題為平行板電容器），認為平行板電容器的電荷量幾乎不變，這就是測量儀器對測量帶來的系統(tǒng)誤差.比如用溫度測量體溫時，溫度計從人體上吸取很小一部分熱量，理論上將導(dǎo)致人體溫度的微小變化，這就是測溫的系統(tǒng)誤差.