淺析高中物理驗電器和靜電計的差異以及使用

丁軍順

【摘要】實驗是高中物理教學中非常重要的內容，其理論的正確與否都要靠實驗來驗證。靜電部分的驗電器是一種檢驗物體是否帶電以及粗略估計帶電量大小的儀器;靜電計又叫電勢差計，可以用來檢驗物體所帶電荷的種類并且測量電量，由于驗電器和靜電計在高中物理靜電部分使用較為廣泛，二者雖結構相似，實則有較大差異。驗電器是利用張角大小來判斷帶電體帶電量的多少;而靜電計是利用指針張角大小來判斷平行板電容器所帶電壓的大小。高中學生學習物理靜電部分時在理解上存在困難，所以很有必要對驗電器和靜電計的差異以及在電路中的使用進行探討，而本文將會對高中物理驗電器和靜電計的差異及使用作一番闡述說明。

【關鍵詞】驗電器 ?靜電計 ?工作原理

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）45-0078-02

物理學是一門以實驗為基礎的理論學科，其理論的正確與否都要靠實驗來驗證。理論指導實驗，實驗反過來驗證和支撐理論。當理論和實驗結果高度統一時才顯示出理論知識的正確性，尤其是高中物理更是如此。所以，我們在學習物理實驗課時更應該引起重視。驗電器和靜電計在高中物理必修3-1中靜電部分經常使用。由于兩者在構造上的相似但又有差異，使得同學們在使用中和理解上形成困難，甚至部分老師在理解上也會有誤。這便對靜電部分有關驗電器和靜電計實驗的順利進行形成了阻礙。如要改變學生的學習困境，很有必要幫助學生充分理解這兩者之間的關系。下面，筆者將結合自身從事多年高中物理教學實踐經驗和體會，對高中物理驗電器和靜電計的差異及使用作以下幾方面的淺析：

一、驗電器與靜電計差異

當物體靠近或接觸驗電器金屬球時，若驗電器箔片張開，則可知物體帶電;而靜電計是利用靜電的方法測量電勢差的儀器。其測量的功能不同，主要為：

1.構造上的差異

如上圖，驗電器和靜電計在外觀上相似，都是由金屬球、金屬桿和金屬外殼組成。所不同的是驗電器的下端為兩片金屬箔片，驗電器用金屬圓筒做外殼，用絕緣材料將金屬桿與金屬外殼隔開以進行很好的絕緣。驗電器前后兩面用玻璃做外殼既可以防止因空氣中氣流對箔片的影響，同時又可以使實驗者方便觀察。而靜電計下端由水平的金屬橫軸將金屬桿和金屬指針固定在一起，在豎直平面內能繞水平橫軸靈活自由轉動。靜電計里面是標有刻度的毛玻璃，當指針轉動時可以顯示出其刻度。工作時靜電計金屬球接平行板電容器的正極板，金屬外殼接平行板電容器的負極板并且接地。底端的三角底座能使之穩定的放置在實驗桌上。

2.工作原理與用途上的差異

驗電器的工作原理是當帶電體與金屬球靠近時，金屬球感應出異種電荷，金屬箔片感應出與帶電體相同的同種電荷互相排斥。當帶電體與驗電器金屬球接觸時，由于帶電體上的電荷轉移到了驗電器箔片上，金屬箔片帶了同種電荷，它們互相排斥而張開。當帶電體所帶電量越多，則箔片上靜電斥力越大，張角也就越大。而靜電計使用時與電路中的平行板電容器并聯。將靜電計金屬球與平行板電容器正極板連接，金屬外殼與平行板電容器的負極板連接并且接地。此時，靜電計相當于一個小電容器，其電容由制成靜電計的內部結構以及金屬桿和指針的長度等因素決定。一個成型的靜電計其電容為定值。靜電計上金屬桿與外殼間的電壓等于平行板電容器兩端電壓。當平行板電容器兩極板間電壓增大時，由公式q=cu可知，靜電計指針所帶電荷量增大，指針與金屬桿間庫倫斥力增大，指針發生偏轉;同時由于靜電計金屬桿與金屬外殼間存在電場，金屬外殼感應出了負電荷。電壓越高，電場越強，金屬指針偏角越大。通常情況是由這兩種原因共同的作用效果。

二、驗電器與靜電計的使用方法

對于驗電器而言，首先應檢查驗電器的完好性。在確認驗電器完好后進行檢驗電荷。由于驗電器的使用方法較為簡單，本文不再贅述。現就靜電計的使用方法作以交流。靜電計通常與平行板電容器并聯后接在同一電路中使用，分為電容器與電源連接和斷開兩種情況進行分析。

例1.（與電源相連）如右圖，一平行板電容器始終與電壓恒定的電源連接。平行板電容器的正極板與靜電計金屬球用導線連接，負極板與靜電計外殼均接地。當把金屬板錯開移動一點，則：

1.平行板電容器所帶電荷量將（ ? ? ）

2.靜電計指針偏角將（ ? ? ）

解析：平行板電容器電容的表達式為C，其中k為常量，為介電常量，與金屬板間的介質有關。當金屬板錯開一點，使得兩極板正對面積減小，電容C減小。由于平行板電容器始終與電源連接，故電壓U不變，由Q=CU可知，平行板電容器一個極板所帶電荷量減小。靜電計相當于一個小電容器，由于c=q/U關系，c和U均不變，故靜電計所帶電荷量q不變，其指針偏角不變。簡單關系：U不變，靜電計指針夾角不變。

答：電場強度E不變;q在P點的電勢能Ep將不變;靜電計指針偏角θ減小。

由于靜電計實質上也是一個小電容器，由q=cu可知，靜電計與平行板電容器并聯，U=u變大，c不變，故q變大，靜電計指針電場力變大，張角變大。簡言之，靜電計指針張角與平行板電容器兩板間電壓有關。

由于在高中物理靜電部分經常使用驗電器和靜電計進行判斷，所以說這兩種儀器的使用是學生必須要具備的技能。尤其是在新課程改革的今天，物理實驗尤為重要，我們必須要重視物理實驗在物理教學中的基礎性作用。盡可能的引導學生多做實驗，多啟發，多思考，尤其是課本中的探究性物理實驗。探究性實驗是學生自發的通過做實驗對物理知識進行深入地探討和研究，這對拓展學生的思維和加深對知識的理解起到很好的作用。教師要求學生能辨識實驗儀器，掌握實驗技能和實驗要領。這將對學生以后學習物理知識有著十分重要的意義和積極的影響。雖然兩者結構相似，但實則有較大的差異;尤其是利用靜電計指針張角大小來判斷平行板電容器電壓的大小，更應該引起各位物理老師和學生的高度重視。本文就此已經給出了較為粗淺的講解，希望對大家有一定的幫助。

總而言之，教師和學生要重視物理實驗內容，多做實驗多思考問題。盡可能了解實驗儀器的用途和學會正確操作。需要老師長期在物理教學實踐中不斷總結經驗和學生在學習過程中不斷地積累知識。基于此，作為一名新時代下的高中物理教師，要重視實驗教學和引導學生做好每一次物理實驗和課本中的探究性實驗。幫助學生清晰對相似實驗儀器的認識和辨別，使學生能夠有正確選擇儀器進行實驗的能力。培養學生愛做物理實驗和善于總結規律的優良品質，達到提升學生物理學習水平，促進學生全方面進步與發展的終極目的。

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