靜電感應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的常見失敗原因分析

陳宇恒

【摘 要】本文從高中物理靜電感應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)出發(fā)，分析了該實(shí)驗(yàn)在操作是比較常見失敗現(xiàn)象及原因，并結(jié)合靜電的特點(diǎn)分析了做好靜電感應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。

【關(guān)鍵詞】靜電感應(yīng)；演示實(shí)驗(yàn)失敗；原因；關(guān)鍵

高中物理新課標(biāo)選修靜電學(xué)部分安排了一個(gè)重要的演示實(shí)驗(yàn)——靜電感應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)，但在實(shí)際操作過程常常出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)失敗的問題。演示實(shí)驗(yàn)是認(rèn)知物理規(guī)律的感性基礎(chǔ)，也是加強(qiáng)物理概念的重要環(huán)節(jié)，而概念和規(guī)律又是物理學(xué)的基本組成部分，所以如果演示實(shí)驗(yàn)失敗，則達(dá)不到預(yù)期的演示效果。

一、關(guān)于實(shí)驗(yàn)常見失敗原因

演示實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中是十分重要的手段，也是學(xué)生十分感興趣的形式。從知識準(zhǔn)備的角度來看靜電學(xué)的知識，由于缺乏感性認(rèn)識，學(xué)習(xí)這部分知識是比較難的。演示實(shí)驗(yàn)便顯得尤為重要。高中物理新課標(biāo)中安排的靜電感應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)如圖1所示。用金屬導(dǎo)體A、B，使其接觸，不帶電，而金屬導(dǎo)體下方的金屬箔是閉合的，帶點(diǎn)金屬球C靠近導(dǎo)體A，觀察金屬箔變化，分開A、B，然后C遠(yuǎn)離，繼續(xù)觀察金屬箔變化，再次使A、B接觸繼續(xù)觀察。

但高中物理靜電感應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)難度相對較高，稍有不慎就可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，常見的實(shí)驗(yàn)失敗現(xiàn)象主要有如下兩種。

其一，當(dāng)帶電金屬球靠近金屬導(dǎo)體，金屬導(dǎo)體下近端的金屬箔片張開，但遠(yuǎn)端的卻沒有張開，這說明實(shí)驗(yàn)失敗。但有時(shí)候同樣的實(shí)驗(yàn)操作步驟在辦公室能夠成功但在教師卻失敗。

分析：金屬導(dǎo)體下遠(yuǎn)離帶電金屬球的金屬箔片沒有張開，那么金屬導(dǎo)體的這一端是不帶電的。結(jié)合上述的現(xiàn)象來分析，大部分原因在于空氣比較潮濕。在這種情況下金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離帶電金屬球的一端在電荷相互排斥的情況下放電會更加容易；而靠近帶電金屬球的一端由于帶電金屬球?qū)饘賹?dǎo)體電荷的吸引，相比另一端不會那么容易就放電。如果是晴天，辦公室人少，空氣相對來說比較干燥，所以同樣的步驟在辦公室能夠成功。而教室人多，學(xué)生呼吸時(shí)，使空氣中的水分增加。如果是陰雨天空氣更加潮濕。這種情況下只能盡量保持空氣干燥，如果是陰雨天可提前通風(fēng)，如果不行就只能等到晴天，空氣干燥了再做實(shí)驗(yàn)。[1]

其二，當(dāng)發(fā)生靜電感應(yīng)后，分開A、B兩個(gè)金屬導(dǎo)體并移走帶電C，然后繼續(xù)使A、B接觸時(shí)，兩個(gè)導(dǎo)體下方的金屬箔卻沒有合并。通常導(dǎo)體A、B分別帶異種等量電荷，A、B接觸后，下方的兩個(gè)金屬箔片會合并，如果沒有合并則說明兩個(gè)導(dǎo)體所帶的異種電荷不等量。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)A、B分開后，二者所帶的是同種電荷，原因是帶電金屬球C同導(dǎo)體的距離近，二者之間的電壓高，帶電金屬球和導(dǎo)體之間的空氣被擊穿，帶電金屬球的電荷轉(zhuǎn)移到導(dǎo)體上，而導(dǎo)體在再次接觸時(shí)所帶的電荷是同種電荷，因此出現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)失敗的現(xiàn)象。如果起電機(jī)小球同金屬球相連，所帶的電荷多，電壓很高（可達(dá)上萬伏），容易將空氣擊穿，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，所以在實(shí)驗(yàn)時(shí)將帶電金屬球離金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)一些即可。[2]

二、關(guān)于如何做好演示實(shí)驗(yàn)

結(jié)合上述常見的失敗原因分析，要做好靜電感應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)，把握靜電的特點(diǎn)比較關(guān)鍵。

靜電的特點(diǎn)主要包括兩點(diǎn)：電壓高、電量少。從前者看假如有可能在半徑1m的導(dǎo)體球上分布3×10-5C的電量，球體電勢能達(dá)到3×105V，即便是在1cm半徑的小導(dǎo)體球上分布10-9C的電量，也能達(dá)到近100V的電壓。從后者看，物理實(shí)驗(yàn)室中用到的普通驗(yàn)電器能夠感測到電荷的數(shù)量級一般是10-10～10-9C，即便是較大的電容，一般數(shù)量級很少超過10-4C，而這個(gè)電量相當(dāng)于手電筒小電珠發(fā)光1s時(shí)所通過電量的萬分之三。

結(jié)合這部分內(nèi)容以及上述的失敗原因分析可知要做好靜電感應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)，關(guān)鍵在于防漏電，從上文的兩個(gè)失敗現(xiàn)象來看，均可以歸結(jié)為漏電導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。第一個(gè)失敗現(xiàn)象是潮濕空氣導(dǎo)致遠(yuǎn)端導(dǎo)體向空氣放電，而第二個(gè)失敗現(xiàn)象則是金屬球漏電擊穿空氣使導(dǎo)體帶同種電荷。

靜電所產(chǎn)生的電壓高，高壓下導(dǎo)體上的毛刺等已發(fā)生尖端放電，漏失靜電，而高壓下的絕緣體由于表面干濕度、灰塵等會減低絕緣性能進(jìn)而出現(xiàn)靜電漏失。用電叉轉(zhuǎn)移電荷，只需輕觸導(dǎo)桿，有限的電荷就會流失，起電機(jī)起電時(shí)，如果絕緣部分潮濕漏電，顯然是得不到電荷的。所以防止漏電是做好靜電感應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。首先，實(shí)驗(yàn)器材無論是演示器或是自制教具，制作材料絕緣性能要好。其次，要注意實(shí)驗(yàn)器材的維護(hù)更新，務(wù)必要保持實(shí)驗(yàn)器材的絕緣性能。再次，自制演示實(shí)驗(yàn)器材應(yīng)盡量避免出現(xiàn)毛刺、細(xì)絲、尖角等，避免尖端放電現(xiàn)象。第四，實(shí)驗(yàn)前做漏電測試，方法是用驗(yàn)電器小球接觸實(shí)驗(yàn)器材，確保器材絕緣性能耗。第五，實(shí)驗(yàn)時(shí)要避免接觸漏電，即避免手或絕緣性不好的物體接觸帶電體。最后，則是要排除環(huán)境的干擾，尤其是要盡量避免在空氣潮濕時(shí)做實(shí)驗(yàn)。

三、結(jié)束語

綜上所述，靜電感應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)，在高中物理當(dāng)中是電磁學(xué)部分一個(gè)比較重要的實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)受限因素較多，會比較難做。通過本文的分析可知所有導(dǎo)致失敗的現(xiàn)象，其實(shí)均可以歸結(jié)于靜電漏失，因此防止漏電是做好靜電感應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵控制因素。

【參考文獻(xiàn)】

[1]顏明慧，張偉.如何使物理課堂更加貼近學(xué)生生活——以高中“靜電與生活”一節(jié)課為例[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版），2013，06：150-152.

[2]張懷玉.中學(xué)物理疑難實(shí)驗(yàn)研究[J].江蘇教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，01：46-48.

[3]徐忠.如何加強(qiáng)初中物理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)[J].學(xué)周刊，2014，22：92-93.