以小見大
——靜電感應實驗再探

楊雪怡 陳恩旋

（廣西師范大學科學教育研究所 廣西 桂林 541004）

作為人教版高中《物理·選修3-1》教材中第一章靜電場第1節就出現的實驗——靜電感應實驗，它的重要性可見一斑.一個成功的靜電感應實驗至少能為學生表明兩個實驗現象：（1）感應起電.導體在靜電場作用下，導體上的自由電子受電場力驅動而發生移動，產生的電荷再分布現象；（2）近異遠同.導體在靜電場作用下達到靜電平衡時，其上感應電荷分布的特點是：導體靠近原帶電體一端的感應電荷為異種電荷，而導體遠離原帶電體一端的感應電荷為同種電荷，同時，近端、遠端所帶的感應電荷量是等量的.做好、做成靜電感應的實驗，可以使學生對電荷守恒定律有更為深刻的了解.然而，靜電本身具有電荷量少、電壓高等特點，不易“捕捉”.在教師實驗中，靜電容易擊穿空氣，產生空氣電離現象，導致靜電感應實驗現象易從感應起電變為電荷轉移，導致實驗不成功；還存在對實驗儀器事前檢查、實驗中操作不當而出現靜電“跑掉”、實驗現象不明顯等狀況，導致實驗失敗.

1 實驗方式

1.1 實驗改進背景

作為未來的新手教師，在學習羅星凱教授《中學物理疑難實驗專題》一書中，筆者小組對高中物理涉及靜電的實驗部分進行了研究和學習［1］.關于靜電感應這一實驗，張連之老師在課本基礎上做出了改進，其中提到小金屬球曲率大，會因產生尖端放電現象而導致實驗失敗，所以采用連接大金屬球方式降低曲率；同時，采用靜電計代替普通金屬箔片作為展示裝置，使得實驗現象更明顯［2］.

1.2 實驗原有問題

還原以上實驗操作中我們發現，原裝置下的實驗并沒有很理想的成功實現.檢查后發現，由于在原裝置連接韋氏起電機和金屬大球C中存在兩個問題，其一，金屬大球上的電荷量需要足夠大的情況下才能讓靜電計感應起電.由于靜電本身特性使它“捉摸不定”，極容易放電，產生電離現象，不僅在用導線連接韋氏起電機和大球的這一步驟時容易漏電，而且靜電從韋氏起電機產出通過導線導至金屬大球上后，很難再使靜電計上的金屬球感應起電.其二，則是金屬球過大，用原裝置除了會使靜電計上的金屬球受到感應起電外，還會使靜電計的金屬外殼也受到感應起電的影響.

1.3 實驗改進方式

在此基礎上，我們采取圖1裝置連接方式，同時更改實驗方法.

首先，用絕緣膠帶以纏繞的方式將絕緣架臺與金屬大球C連接，使得金屬球C與靜電計A的金屬球接觸，再用裝有絕緣底座的金屬桿D將A和B兩靜電計連接，方便移動.這樣，不用韋氏起電機也能完成這個實驗，簡化了實驗流程；同時，也避免了帶電的金屬大球對裝置的其他部分產生影響，導致最終實驗現象不明顯.

由此，進行實驗裝置的改進后，實驗操作就變為直接采用摩擦起電的方式，用絲綢摩擦有機玻璃棒后感應金屬大球C，使得靜電計A和B感應起電.此時實驗現象為：一開始，靜電計A，B指針張開.此時快速移開金屬連接桿D與有機玻璃棒，發現兩靜電計指針穩定張開，張角基本相同，如圖2所示.再將金屬連接桿重新連接靜電計A和B，發現指針閉合，如圖3所示，實驗效果良好.

圖2 實驗過程，指針張角基本相同

圖3 實驗過程，指針閉合

2 注意事項

對于靜電實驗，一處小小誤差就可能導致實驗現象不成功.所以對裝置的檢查必不可少.尤其是處于濕潤的南方，筆者小組做實驗時正值“回南天”，空氣濕度相當大，但做好實驗前準備及裝置檢查后，成功率也非常高.實驗前，首先需要檢查實驗所用靜電計的絕緣塞是否完好，如存在殼、桿連接處不絕緣導致靜電計漏電，可采取吹風機吹融石蠟填充絕緣塞周圍，保證殼、桿之間絕緣.然后再用酒精清理干凈靜電計與金屬大球、金屬桿、有機玻璃棒等表面；其次，在實際操作過程中，如需采用絕緣材料，如制作金屬球C的支架、金屬桿D的支架等，則先用靜電計檢查材料在靜電下的絕緣性，避免因材料問題導致實驗失?。蛔詈螅瑢嶒炃叭羰覂瘸睗駝t可開窗通風，如擔心手心出汗，可以提前烘干絲綢，并放幾塊備用，在摩擦起電時注意采取用力按壓摩擦的方式.這樣基本就可以比較順利地完成“難以捉摸”的靜電實驗.

3 改進展望

筆者這次的改進實驗并不十分完美.最遺憾的一點是懸掛架臺的方式，因時間與材料限制，使用了絕緣膠帶密封的鐵架臺進行懸掛使金屬球C與靜電計接觸，而不是直接采用絕緣支架.此處如有合適絕緣材料當作支架來支撐大球會更加合適.當筆者小組對此實驗進行改進后，最終在課堂上展示時取得了成功.筆者小組正是在備課時的一次次實驗失敗中完成了對實驗裝置、實驗步驟的細化，提高了實驗成功率.

在課堂上最終實際操作時，無論是否出現靜電的漏電或者產生其他有誤差的實驗現象，都可及時調動現場學生積極性，分析實驗裝置步驟可能出現的問題，帶領其完成探究性的學習，激發學生主動學習物理學科的興趣.作為剛離開學校、走上講臺的新手教師，在講課前難免心里沒底、心里打鼓，如果做好了這個課本開篇就出現的實驗，并能在如此不確定的實驗中做得小有成效，那么作為新上任的物理教師而言，則可以小見大，從點滴處增強自己的教學信心，在講臺上站得更穩.