利用生活物品演示靜電實(shí)驗(yàn)

李柏濤　張洪明

“讓物理走進(jìn)生活，讓生活走進(jìn)物理.”是高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)核心理念.在物理教學(xué)過(guò)程中，教師利用生活中常見(jiàn)的物品來(lái)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，提升學(xué)生將物理知識(shí)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中的能力，可以拓展學(xué)生思維.以下是筆者在靜電場(chǎng)教學(xué)實(shí)際過(guò)程中積累的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)與同仁一起分享.

1 利用輝光球做靜電演示實(shí)驗(yàn)

1.1 輝光球放電原理分析

輝光球是一個(gè)裝飾工藝品，它是一個(gè)薄殼玻璃球，球內(nèi)中心處有一個(gè)球形電極，殼內(nèi)空氣被抽成一定的真空度，并充入低氣壓的惰性氣體.當(dāng)電極與電源接通后，球形電極上加有高頻的高電壓，在其周?chē)纬筛邏弘妶?chǎng)，球殼內(nèi)的稀薄惰性氣體電離產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象. 接通電源，輝光球放電，可見(jiàn)球殼內(nèi)出現(xiàn)以球電極為中心的立體輻射光線（圖1），這些光線不是筆直的，有些彎曲，總體上是球?qū)ΨQ的.在很短的時(shí)間內(nèi)可以把它當(dāng)靜電場(chǎng)處理，它是一種近似點(diǎn)電荷的電場(chǎng)，中心是一個(gè)電極，無(wú)窮遠(yuǎn)處（或周?chē)拥匚铮┦橇硪浑姌O，極性隨高頻電壓變化而變化.球殼內(nèi)的稀薄氣體分子被運(yùn)動(dòng)的帶電粒子碰撞電離產(chǎn)生輝光現(xiàn)象，由于氣體密集程度較小，所以輝光總體按電場(chǎng)線的路徑顯示.

1.2 利用輝光球模擬點(diǎn)電荷形成電場(chǎng)線分布

接通電源以后，可以將平面內(nèi)的靜電場(chǎng)在空間中模擬出來(lái)，在學(xué)生頭腦中形成一個(gè)立體的點(diǎn)電荷模型，特別是幫助那些空間想象能力差的學(xué)生建立一個(gè)正確的點(diǎn)電荷電場(chǎng)模型大有裨益.由于輝光球色彩鮮艷，能極大的吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的興趣提高課堂效率.

1.3 利用輝光球演示靜電場(chǎng)強(qiáng)弱

手持氖管的一極，從較遠(yuǎn)處向輝光球方向移動(dòng)，接近到一定距離時(shí)，可見(jiàn)氖管發(fā)光.手持氖管的一極是接地的，氖管發(fā)光說(shuō)明氖管的另一極所在空間點(diǎn)與接地點(diǎn)間有一定的電勢(shì)差（發(fā)光電壓約為60 V）.手持氖管越是接近輝光球，氖管發(fā)光越明亮，到接觸球殼時(shí)發(fā)光最亮.這說(shuō)明所測(cè)點(diǎn)越接近球殼，電場(chǎng)強(qiáng)度越大與大地間的電勢(shì)差也越大.還能說(shuō)明與球心等距離各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度近似相同.

1.4 利用輝光球演示靜電屏蔽現(xiàn)象

手持氖管在輝光球周?chē)哪骋晃恢靡?jiàn)氖管輝光，保持此位置不變，分別在氖管和輝光球之間插入不同材料的板狀物（如書(shū)本、木板、泡沫塑料板、金屬板等），發(fā)現(xiàn)插入接地的金屬板（圖2），氖管不再發(fā)光，說(shuō)明接地的金屬板對(duì)靜電場(chǎng)能起局部的屏蔽作用；如果插入帶絕緣柄的金屬板和其他電介質(zhì)板，氖管仍能發(fā)光，說(shuō)明它們?cè)陔妶?chǎng)中被感應(yīng)或極化，不能對(duì)電場(chǎng)起屏蔽的作用.

2 利用吸管演示靜電實(shí)驗(yàn)

2.1 吸管貼墻實(shí)驗(yàn)

吸管貼墻實(shí)驗(yàn)是利用紙巾輕輕地摩擦空心吸管，然后往墻上一點(diǎn)，吸管就穩(wěn)穩(wěn)地貼在墻上.因此可以利用吸管貼成各種形狀的圖案.原理很簡(jiǎn)單，因?yàn)閴ι嫌泻芏辔⑿〉男☆w粒，類(lèi)似于小碎紙，將吸管緊緊的吸在墻上，說(shuō)明用紙巾摩擦后的空心吸管帶電.

2.2 旋轉(zhuǎn)吸管實(shí)驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)吸管實(shí)驗(yàn)第一步，在第1根空心吸管的中間插1根大頭針，接著將它套在第2根空心吸管上，將其固定.然后用紙巾輕輕地摩擦第1根吸管，接著摩擦第3根空心吸管，將摩擦過(guò)的吸管靠近第1根空心吸管的一端，該端吸管受到排斥，第1根吸管跟著第3個(gè)吸管相反的方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)（圖3）；接著用摩擦過(guò)吸管的紙巾靠近第1根空心吸管，該端吸管受到吸引作用，吸管跟著紙巾的方向旋轉(zhuǎn).根據(jù)塑料吸管的運(yùn)動(dòng)情況，可以很清晰地演示電荷之間同性相斥異性相吸的現(xiàn)象，效果良好.

2.3 靜電使氖泡發(fā)光實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)電筆中的氖泡是充有氖氣的短型放電管，一般氖泡的發(fā)光電壓大約60 V.而在靜電實(shí)驗(yàn)中，各種材料如用玻璃棒、橡膠棒分別與絲綢和毛皮摩擦，可產(chǎn)生上千伏電勢(shì)，這些電壓足以使氖泡中的兩電極中任意一個(gè)電極出現(xiàn)明顯的橙色輝光.用紙巾輕輕地摩擦空心吸管幾次，然后將氖泡的1個(gè)電極沿著空心吸管的表面慢慢移動(dòng)，氖泡會(huì)斷斷續(xù)續(xù)地發(fā)出橙色閃光，同時(shí)也發(fā)出噼啪放電聲.盡管氖泡發(fā)出的橙色輝光滯留時(shí)間不長(zhǎng)，但只要房間內(nèi)的光線較暗，就能看清氖泡內(nèi)橙色的閃爍光，如圖4所示.實(shí)驗(yàn)表明，空心吸管經(jīng)紙巾擦后帶上了大量電荷.

3 利用肥皂泡做靜電實(shí)驗(yàn)

3.1 肥皂液的配制和肥皂泡支架制作

在蒸餾水中加入高泡沫洗衣粉達(dá)到飽和狀態(tài)，加入蒸餾水分量的二十分之一的純甘油，再加少量的白糖，溫度加熱到60 ℃左右，然后自然冷卻.經(jīng)過(guò)這樣配制的肥皂液吹出的肥皂泡在直徑6 cm的圓環(huán)上可保留8分鐘以上.把一根細(xì)導(dǎo)線（細(xì)導(dǎo)線可以用花線蕊抽出的細(xì)銅絲）繞成一個(gè)直徑大約6 cm的圓環(huán)，在它的直徑上再連接一個(gè)同樣大小的半圓環(huán)，用細(xì)導(dǎo)線掛在絕緣棒上，做好的肥皂泡架如圖5.

3.2 利用肥皂泡演示同種電荷相互排斥異種電荷相互吸引

如圖6吹兩個(gè)肥皂泡懸掛在絕緣架上，讓它們帶上相同的電荷并使它們靠近，由于相斥兩肥皂泡總是靠不到一起，如圖6（a）所示.讓它們帶上相異電荷由于相吸，靠近一點(diǎn)兩個(gè)肥皂泡很就吸到了一起合并成一個(gè)肥皂泡.圖6（b）所示進(jìn)一步說(shuō)明了電荷間相互作用的規(guī)律.

3.3 利用肥皂泡演示靜電感應(yīng)現(xiàn)象

兩塊帶絕緣底座的鋁板之間放一只裝有肥皂液的燒杯，如圖7（a）所示.在燒杯里吹起一個(gè)大肥皂泡，兩鋁板分別用導(dǎo)線與高壓直流電源連接，在電場(chǎng)的作用下，肥皂泡里的自由電荷將發(fā)生移動(dòng).結(jié)果使肥皂泡靠近正極的一邊帶上負(fù)電，另一邊帶上正電，這就是靜電感應(yīng)肥皂泡在靜電力的作用下發(fā)生了形變被拉扁，甚至?xí)屏?

4 靜電除塵演示實(shí)驗(yàn)

靜電除塵在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要應(yīng)用，筆者用飲料瓶、細(xì)銅絲、粗銅絲、高壓發(fā)生器（或韋氏感應(yīng)起電器）等制作了靜電除塵演示儀，模擬了靜電除塵的過(guò)程.制作時(shí)，取飲料瓶中間一段，在其外側(cè)繞上細(xì)銅絲，繞好后在外側(cè)粘上一層透明膠.鐵架臺(tái)中間的鋼筋套上PVC管起到絕緣的作用，粗銅絲插在瓶中間，將粗銅絲與細(xì)銅絲分別接高壓發(fā)生器的兩極.操作時(shí)，下方點(diǎn)燃多段蚊香產(chǎn)生白煙，如圖8（a）所示.接通高壓開(kāi)關(guān)后，白煙立即消失，效果十分明顯，如圖8（b）所示.本實(shí)驗(yàn)中，飲料瓶與銅絲等都是極易找到的材料，制作成本低廉.飲料瓶是塑料的，制成后不易摔破；飲料瓶是透明的，在近處可觀察到煙塵的消失瞬間的運(yùn)動(dòng)情況.