靈敏靜電驗電器的制作及其教育功能

靈敏靜電驗電器的制作及其教育功能*

李科敏

(湖南理工學院物電學院湖南 岳陽414006)

胡欣杰

(湖南省冷水江市誠意學校湖南 婁底417500)

謝 超汪水苗劉曼林周魁葵

(湖南理工學院光電技術及應用物理創新訓練中心湖南 岳陽414006)

*湖南省湖南理工學院光電技術及應用物理創新訓練中心建設項目(2013-2016)；湖南省湖南理工學院光電技術及應用物理創新訓練中心建設項目(2013-2016)子項目，“改革教學設計的方法培養學生創新能力的研究與實踐”；湖南理工學院2015年大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目“對靜電驗電器改進設計與制作的研究”.

摘 要：靜電實驗在通常情況下是難以演示成功的，這是由于帶靜電的物體具有“電壓高”、“帶電量少”等特點.我們制作的靈敏靜電驗電器不僅可以成功地演示許多靜電實驗，如演示帶電體之間的靜電相互作用、檢驗物體是否帶電及帶電的種類，而且具有現象明顯、制作簡單、取材便利、成本低廉、操作方便和經久耐用等優點.

關鍵詞：靈敏靜電驗電器帶電體靜電

作者簡介：李科敏(1965-)，男，博士，教授，主要研究方向為物理課程與教學論.

收稿日期：(2014-07-19)

靜電實驗在通常情況下是難以演示成功的，這是由于帶靜電的物體具有“電壓高”、“帶電量少”等特點.帶靜電物體的電壓一般高達幾千伏特至幾萬伏特，甚至更高，在這種高電壓下，通常被認為是絕緣材料的眾多物體，如紙片、干木棍，甚至玻璃、塑料、橡膠等，都不一定是可靠的絕緣體，也就是說，我們平時所說的絕緣體很可能在這種高電壓下變成了導體，它們幾乎變得和導體一樣可以使帶電體所帶的靜電很快漏掉，尤其是在空氣較為潮濕、材料較為老化或材料表面不夠清潔的情況下更是如此.此外，帶電體之間的靜電作用力很小和物體之間的摩擦力矩相對較大等因素也是導致靜電實驗難以演示成功的重要原因.

我們通過實驗發現，在靜電高電壓下，人們生活中隨手可得的泡沫塑料、石蠟等仍然可以保持很好的絕緣性.因此，我們選用表面潔凈的泡沫塑料，并巧妙利用點接觸減少物體之間的摩擦力矩，成功制作了一種演示效果很好的靈敏靜電驗電器.

1靈敏靜電驗電器的制作

1.1所用材料

表面潔凈的泡沫塑料1塊，玻璃試管1根，木板1塊，鐵釘2枚，空心塑料管1根(可插入玻璃試管中且長于玻璃試管)，小刀、鐵錘、鋼鋸各1把.

1.2制作方法

(1)制作圓柱形泡沫載物臺：用小刀切出一個圓柱形泡沫塑料，并在它的端面上沿直徑方向切出一個半圓柱形的淺槽，如圖1所示.

圖1

在圓柱形泡沫塑料的背面挖一個細玻璃試管可以插入的小洞，如圖2所示.

圖2

制作時要保證淺槽和小洞之間還有泡沫塑料隔開而不相通，以便確保帶電體和外界用絕緣體隔開.這就制成了靈敏靜電驗電器的載物臺.載物臺用于放置帶靜電的物體.

(2)制作底座和尖端支柱：用鋼鋸切出面積約為20 cm×20 cm的木塊，并用鐵錘在其中央釘一枚鐵釘制成底座；在一根空心塑料管中固定另一枚鐵釘(釘尖向外)做成一個尖端支柱，如圖3所示.

圖3

(3)組裝靈敏靜電驗電器：將玻璃試管底部插入圓柱形泡沫載物臺的小洞里，把尖端支柱豎立在底座上(只要把底座上的鐵釘插入尖端支柱空心的一端即可)，如圖4所示.

圖4

再把玻璃試管和載物臺一起套裝在尖端支柱上，使玻璃試管只與尖端支柱的釘尖相接觸且活動自如，如圖5所示.至此，就成了靈敏靜電驗電器.

圖5

2靈敏靜電驗電器的使用

該靈敏靜電驗電器可以很方便地演示以下實驗：

(1)演示電荷之間的相互作用：將帶電的物體放在圓柱形泡沫載物臺上(圓棒形帶電體臥在淺槽中)，用另一帶電體去靠近它，可以觀察到兩帶電體相互吸引或排斥的現象.

(2)確定帶電的種類：將已知帶電種類的帶電物體放在圓柱形泡沫載物臺上，用另一待測帶電體去靠近它，如果兩者相互吸引，待測物體和已知帶電體帶有異種電荷；如果兩者相互排斥，待測物體和已知帶電體帶有同種電荷.

(3)檢驗物體是否帶電：將不帶電的物體放在圓柱形泡沫載物臺上，用另一待測物體去靠近它，如果相互吸引，待測物體則帶電；如果不吸引，待測物體則不帶電.

3靈敏靜電驗電器的優點

靜電的電壓高、帶電量少等特點使得在通常情況下被認為是絕緣材料的眾多物體可能都變成了導體，這使靜電實驗一般難以演示成功.由于在人們生活中隨手可以找到的泡沫塑料和石蠟等在靜電環境下仍然保持很好的絕緣性，因而，采用泡沫塑料或石蠟作成的載物臺來承載帶電體可以有效地避免漏電現象.此外，在此教具中，我們使泡沫塑料做成的載物臺通過玻璃試管和尖端支柱進行針狀接觸，大大減小了泡沫載物臺轉動中遇到的摩擦力矩.因此，該教具擁有設計精美、現象明顯、制作簡單、取材便利、成本低廉、操作方便和經久耐用等優點.

4應用拓展

該靈敏靜電驗電器之所以具有良好的演示效果，主要是因為采取了以下兩個關鍵性的措施：一是選用了在靜電高壓下仍有良好絕緣性能的泡沫塑料、石蠟等作為隔絕帶電體的絕緣材料，二是巧妙地利用點接觸減少了物體之間的摩擦力矩.這兩個設計思想可以推廣到去解決相關的實際問題.例如，實驗室常用的靜電驗電器往往因為材料的老化或者材料表面不夠清潔而導致不能工作，若采用表面清潔的石蠟或泡沫塑料把靜電驗電器的金屬桿和靜電驗電器的接地金屬殼隔開，靜電驗電器通常即可恢復到良好的工作狀態；若要展示較小作用力的存在，均可以考慮采用點接觸來減少有關的摩擦力矩來實現.

5靈敏靜電驗電器的教育功能

由于該靈敏靜電驗電器具有現象明顯、操作方面、成功率高等特點，采用它做教具，可以生動地展示靜電的性質和培養學生的學習興趣.一方面，該教具可以讓學生通過操作和觀察，親身體驗到不同電荷之間具有相互吸引力或者相互排斥力、帶電的物體可以對不帶電的物體施加吸引力、檢驗電荷種類的方法等，這為學生更好地理解和掌握靜電知識提供了生動活潑的現實場景，因而可以促使學生更好地理解和掌握靜電的性質和規律；另一方面，該靈敏靜電驗電器的取材全部來自學生生活中十分熟悉的物品，利用該靈敏靜電驗電器講授和學習靜電知識，可以大大拉近抽象的物理知識和學生生活之間的距離，讓學生感受到靜電知識就在自己的身邊和靜電知識對自己生活作用，因而會對靜電知識感到親切、有用、有趣，這樣，不僅可以收到很好的學習效果，而且可以激發學生的學習積極性和培養學生的學習興趣.

若用該靈敏靜電驗電器的制作和操作作為學生課外科技活動或者科學探究的內容，既可以訓練學生的心理品質和培養學生的創新能力，又可以讓學生進一步堅定辯證唯物主義世界觀和經歷科學探究的過程.

參 考 文 獻

1劉炳昇.中學物理實驗教學與自制教具.上海：上海教育出版社，2000.9

2中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準(2011年版).北京：人民教育出版社，2011.7

3羅星凱.中學物理疑難實驗專題研究.桂林：廣西師范大學出版社，1998.6