靜電飛花激發高中生物理探究實驗的興趣

孔志蕾

(南宮市南宮中學 河北 邢臺 055750)

學生在學過高中物理必修(第三冊)第九章靜電場及其應用和第十章靜電場中的能量這兩章之后，知道自然界中有兩種電荷，使物體帶電的方式有摩擦起電、感應起電等.靜電飛花裝置可以作為拓展實驗，通過引導學生探究靜電飛花實驗中起電盤和取電盤的電性及紙屑飛起來的原因，提升學生的探究能力.科學探究是學生學習科學知識、發展科學思維、形成科學態度的手段和途徑.

1 靜電飛花裝置介紹

靜電飛花裝置的由來：早在90年代初，南京師范大學物理科學與技術學院的劉炳升教授就給學生做過“靜電飛花”的趣味實驗.最初是使用感應起電機使金屬盤帶電，帶電后的金屬盤會使撒在盤上的紙屑飛起來.后來，改用感應起電盤進行實驗，實驗過程中，先將塑料袋鋪在桌面上，用織物摩擦塑料袋使塑料袋帶電，然后再將撒有紙屑的金屬盤放在塑料袋上.右手持絕緣柄，同時用左手手指按住金屬盤的上表面，先移開按在金屬盤上的手指，然后將金屬盤提起，金屬盤上的紙屑會向上或向四周飛散開，如圖1所示.2019年，江蘇沭陽中學的唐守平老師選用了更好的絕緣材料，改進了工藝，使實驗效果更理想[1].

圖1 靜電飛花

靜電飛花裝置的組成：用聚四氟乙烯材料制作的帶接地線的起電盤、帶絕緣柄的金屬取電盤、羊毛和紙花.

教師按以下步驟先做演示實驗：

(1)將起電盤放在水平桌面上，使接地線另一端的金屬片與地面接觸；

(2)用羊毛摩擦起電盤，然后將羊毛快速移開；

(3)把取電盤放到起電盤上，注意使取電盤與起電盤上連有接地線的螺絲釘接觸，并將紙花撒在取電盤上;

(4)抬起取電盤，欣賞漫天飛花，如圖2所示.

圖2 靜電飛花改進版

本實驗作為學生的拓展探究實驗，在教師做演示實驗時學生會對飛起來的紙屑感興趣，進一步提出問題：為什么紙屑可以飛起來？接下來可以讓學生帶著這個疑問進行分組實驗，學生實驗過程中紙花可能無法飛起來，是由于操作中沒有注意到取電盤需要與起電盤上的螺絲釘接觸.那么，接地后的取電盤是否帶電，帶電的原因是什么，和起電盤帶的是否是同種電荷？帶著這一系列問題引導學生根據操作步驟進行探究實驗.

2 引導學生進行探究實驗

2.1 判斷羊毛摩擦過的起電盤上所帶電荷的電性

首先引導學生思考檢驗帶電體上電荷種類的方法有哪些，然后分組檢驗.學生會想到用靜電計檢驗、用發光二極管檢驗，還可以利用三極管制作的正負電荷檢驗器來檢驗.以下是實驗過程.

2.1.1 用靜電計檢驗起電盤上電荷的種類

首先用羊毛摩擦橡膠棒，并讓橡膠棒與靜電計上端的金屬球接觸.會發現靜電計的指針只張開了一個很小的角度，這是由于橡膠棒是絕緣體，絕緣體所帶的電荷是以束縛電荷的形式出現的，無法像導體上的電荷一樣自由移動、以傳導的方式實現電荷的轉移[2].為了增大靜電計的張角可以讓橡膠棒在靜電計的金屬球上轉動摩擦幾下，此時靜電計的指針所帶電荷的電性與橡膠棒上的相同，規定毛皮摩擦過的橡膠棒帶負電荷，那么靜電計此時也是帶負電的.接下來用驗電球與羊毛摩擦過的起電盤接觸，然后再靠近帶負電的靜電計，會發現指針張角幾乎不變，如果使驗電球在起電盤上摩擦幾下再靠近靜電計的金屬球，會發現張角減小，難道說起電盤帶的是正電荷？這個現象與經驗不符，因為起電盤是用聚四氟乙烯材料制成的，用羊毛摩擦過的起電盤不是應該帶負電嗎？問題出在哪里？

帶負電的橡膠棒與靜電計的金屬球接觸時，靜電計的金屬球、金屬桿及指針上的負電荷是通過放電的形式得到，摩擦帶電的橡膠棒雖然電荷量少但是會在周圍產生強電場[3]，金屬球處在此強電場中會得到電子帶負電.當驗電球與起電盤的表面接觸時帶電的原理與橡膠棒使靜電計帶電的原理相同，為什么驗電球會帶正電？多次實驗會發現：當帶負電橡膠棒靠近靜電計的金屬球時會聽到“呲呲”的放電聲，但是驗電球與帶電的起電盤表面接觸時卻沒有聽到放電聲.導體的尖端部分最容易放電，驗電球與起電盤的表面接觸，起電盤的表面是平的，是否會影響放電？可以讓驗電球與起電盤的邊緣接觸，然后再靠近帶負電的靜電計，發現指針張角增大了如圖3所示，說明此時驗電球帶的是負電，起電盤帶的也是負電.那么，為什么驗電球與起電盤的表面摩擦后帶的是正電呢？驗電球為金屬材質，金屬與聚四氟乙烯摩擦后也會帶電，此時金屬球失去電子帶正電，聚四氟乙烯得到電子帶負電.

圖3 用靜電計檢驗

也可以將實驗過程簡化，不用驗電球從起電盤上取電，直接將帶電的起電盤靠近帶負電的靜電計，會發現張角增大，說明起電盤帶負電.

2.1.2 用發光二極管檢驗起電盤上電荷的種類

根據二極管的單向導電性，用手指捏住二極管的負極，讓正極與起電盤接觸，如果二極管發光，說明起電盤上的電勢較高，即起電盤帶正電；如果二極管沒有發光，可以將正負極對調，用手指捏住二極管的正極，讓負極與起電盤接觸，如果二極管發光說明起電盤上的電勢較低，起電盤帶負電.實驗過程中，當用發光二極管的負極與起電盤接觸時會發光，如圖4所示，說明起電盤帶負電.

圖4 用發光二極管檢驗

2.1.3 用自制的正負電荷檢驗器來檢驗

正負電荷檢驗器由三極管、電容、兩個發光二極管(紅色和綠色)、金屬絲、電源組成.利用三極管的開關功能控制電路的通斷，由于三極管的放大作用，少量的電荷也可以被檢測到.當金屬絲的尖端靠近帶電體時，如果帶電體帶正電，檢驗器上的紅燈亮；如果帶電體帶負電，檢驗器上的綠燈亮.當用檢驗器靠近起電盤時，綠燈亮了，如圖5所示，說明起電盤帶負電.

圖5 用自制檢驗器檢驗

2.2 金屬取電盤與起電盤接觸后帶上的是哪種電荷及如何帶電的

通過前面的探究過程可知，用羊毛摩擦過的起電盤帶負電.接下來學生自己嘗試把取電盤放在起電盤上，并把紙花撒在取電盤上，手握取電盤的絕緣柄把取電盤抬起來，會發現紙花有時候會飛起來，有時候卻不能飛起來.此時可以再給學生演示一遍實驗過程，讓學生仔細觀察操作步驟，分析紙花不能飛起來的原因.得出的結論是：當取電盤與起電盤上的接地螺絲釘接觸時紙花才能飛起來，也就是說取電盤直接與起電盤接觸后并不容易帶電，說明使取電盤帶電的方式不是接觸起電.

接地螺絲釘的作用是什么？可引導學生回憶帶電球使枕形導體帶電的過程，不難想到，與接地螺絲釘相接觸的取電盤類似于接地的枕形導體.此時取電盤處于帶負電的起電盤產生的強電場中，取電盤上的電子在電場力的作用下通過導線轉移到地面上，取電盤失去電子帶正電.

為了驗證取電盤上是否帶正電，可用靜電計進一步檢驗.首先用羊毛摩擦橡膠棒，并讓橡膠棒與靜電計上端的金屬球接觸，使靜電計帶上負電.接下來用驗電球與取電盤的表面接觸，然后再靠近靜電計的金屬球，會發現指針夾角幾乎不變，在探究過程中產生了新的疑問：為什么驗電球與取電盤接觸卻很難帶電？此時可以引導學生回憶導體表面電荷分布的特點，在導體外表面，越尖銳的位置，電荷的密度越大.當驗電球與取電盤的表面接觸時，由于取電盤表面是光滑的，電荷比較少，所以驗電球很難帶上電，根據取電盤上電荷分布的特點，用驗電球與取電盤的邊緣接觸更容易帶電，再將驗電球靠近靜電計的取電球，會發現靜電計的指針夾角減小如圖6所示，說明取電盤帶正電，與猜想一致.

圖6 檢驗取電盤上電荷的電性

2.3 為什么紙花需要撒在取電盤上才能飛起來

既然起電盤和取電盤(金屬盤)都帶電，為什么把紙花撒在取電盤上才能飛起來，若是撒在起電盤上會怎樣呢？把帶電的起電盤靠近紙花，會發現紙花會被吸引到起電盤上并不會彈開，如圖7所示.帶負電的起電盤在周圍激發強電場，紙花在電場中發生極化，靠近起電盤的一側出現正電荷，遠離起電盤一側出現負電荷，兩種電荷量相等[4].但是起電盤激發的電場并不均勻，紙花靠近起電盤的一側電場更強，受到的電場力大于遠離起電盤的一側，合力指向起電盤，所以紙花會被起電盤吸引.

圖7 紙花被起電盤吸引

如果用帶正電的取電盤靠近紙花，會發現紙花先被取電盤吸引，接觸后又被彈開,如圖8所示.紙花被取電盤吸引與被起電盤吸引的原因相同，但兩者材料不同，起電盤為聚四氟乙烯材料，取電盤是金屬盤.當紙花與取電盤接觸時，在取電盤產生的強電場下紙花相當于導體，與取電盤接觸后，紙花上的電子轉移到取電盤上，紙花帶正電，取電盤也帶正電，同種電荷相互排斥，所以紙花會被彈開.

圖8 取電盤先吸引紙花后彈開

3 探究過程總結

3.1 由電場力的性質分析紙花飛起來的原因

實驗裝置中的起電盤是由聚四氟乙烯材料制成的，利用羊毛摩擦起電盤，羊毛上的電子轉移到了起電盤上，使起電盤帶負電.將金屬取電盤靠近起電盤，在取電盤的下表面會感應出正電荷，上表面感應出負電荷如圖9所示.由于取電盤通過起電盤上的螺絲釘接地，在起電盤上負電荷產生的電場的作用下，取電盤上的電子會通過導線被導入地面.于是，取電盤下表面帶正電，上表面不帶電.

圖9 起電盤(下)和取電盤(上)的帶電情況

將取電盤抬起時，分布在取電盤下表面上的正電荷將分布在上下表面上，與取電盤上表面接觸的紙花也帶上了正電荷，由于同種電荷相斥，紙花在取電盤上正電荷產生電場的作用下將會脫離取電盤向上運動，于是出現了飛花的一幕如圖10所示.

圖10 取電盤上的電荷分布

3.2 從電場能的角度分析紙花動能的來源

3.3 本次探究實驗在教學中的作用

本次探究實驗按照靜電飛花實驗的操作步驟引導學生逐步進行探究，提出問題，解決問題.探究過程中涉及摩擦起電、感應起電、電容器、電場能的性質等知識，學習科學知識的同時發展科學思維，形成科學態度[5～7].