利用枕形導體做靜電感應實驗的正與誤

于 冰 于海波

(東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024)

靜電感應實驗是高中物理教學中的經典實驗.在高中物理教學中，經常利用枕形導體等器材來演示靜電感應現象、驗證靜電感應使導體兩端帶等量異種電荷.從理論上看這個實驗比較簡單，但是具體實驗方案的選擇和實際操作都容易出現錯誤或不當之處.本文將針對一個錯誤的實驗方案展開分析，進而給出兩個正確的實驗方案，希望能為中學物理教學提供有益的參考.

1 教科書中的實驗方案及其操作注意事項

在很多版本的中學物理教科書中，主要都是利用枕形導體、金屬箔、帶電體等器材來做這個實驗.具體實驗方案是：首先讓兩個枕形導體的平口端接觸靠在一起，起初它們不帶電，貼在每個枕形導體下部的金屬箔是閉合的.然后把帶電體接近枕形導體的一端，觀察金屬箔的變化.接下來把兩個枕形導體分開，移去帶電體，觀察金屬箔的變化.最后，再讓兩個枕形導體接觸靠在一起，觀察金屬箔的變化.這是一個比較經典的靜電感應實驗，可以有效說明靜電感應使導體兩端帶等量異號電荷.為了確保這個實驗成功，需要注意以下幾點事項：一是兩個枕形導體接觸后必須要清除掉枕形導體上的殘余電荷；二是操作過程要盡量快一些，防止漏電.三是在中學物理教學中經常利用摩擦過的玻璃棒或橡膠棒作為帶電體，需要保證帶電體在靠近枕形導體時，不能離枕形導體太遠，也不能離枕形導體太近.如果距離太遠，感應效果非常不明顯，金屬箔不會張開.如果距離太近，容易發生放電現象而影響實驗.總之，按照這個方案進行操作，讓枕形導體下面的金屬箔張開并不是一件容易的事.

2 一個實驗方案的錯誤分析

在物理教學中，為了能夠更容易、更清晰地演示出靜電感應現象，可以用靜電計來檢驗導體帶電情況，于是經常有人采取這樣的實驗方案：利用枕形導體、靜電計、帶電體等器材.首先使帶電體靠近兩個接觸的枕形導體，然后將枕形導體分開，使之分別與靜電計接觸，觀察靜電計指針變化.期待通過靜電計指針先張開、然后合攏歸零的現象，來說明兩個枕形導體帶等量異種電荷.事實上，如果按照此方案進行操作，在靜電計靈敏度高、絕緣效果好的情況下，靜電計指針根本不會合攏歸零，也無法驗證兩個枕形導體帶等量異種電荷.為什么這樣的方案是不正確的呢？因為這個方案在原理上存在錯誤：每個枕形導體與靜電計相接觸時，枕形導體上的電荷無法全部轉移到靜電計上，或者無法保證每個枕形導體轉移到靜電計上電荷的比例是相同的.在這樣的情況之下，自然也就無法達到實驗目的了.

3 兩個正確實驗方案的探討

前面已經分析，讓帶電后的枕形導體分別直接與靜電計相接觸，無法驗證靜電感應使導體兩端帶等量異號電荷.下面本文介紹探討兩個正確的實驗方案.

第1個方案：同樣利用枕形導體、靜電計、帶電體等器材，但是操作步驟有所不同.首先還是使帶電體靠近兩個接觸的枕形導體，然后將枕形導體分開.接下來先將一個枕形導體與靜電計相接觸，會發現靜電計指針張開.保持第一個枕形導體與靜電計接觸不動，再將另一個枕形導體與靜電計相接觸.這時如果發現靜電計的指針合攏歸零，就可以說明兩個枕形導體帶的是等量異種電荷.為什么這個方案是可行的呢？因為按照這個方法進行操作，就避免了兩個枕形導體上電荷往靜電計上轉移比例不一致的問題，因而可以驗證靜電感應使枕形導體帶等量異種電荷.

第2個方案：除了枕形導體、靜電計、帶電體等器材，再加一個法拉第筒.實驗開始前，在靜電計上端加一個法拉第筒.讓帶電體靠近兩個接觸的枕形導體，然后將枕形導體分開.先將一個枕形導體與靜電計上法拉第筒的內表面相接觸，會發現靜電計指針張開.移開這個枕形導體，這時靜電計張角保持不變.再將另一個枕形導體與靜電計上法拉第筒的內表面相接觸，如果靜電計的指針合攏歸零，就可以說明兩個枕形導體帶等量異種電荷.這樣設計操作之所以可行，其實是利用了電荷在導體上的分布規律：根據靜電平衡下導體殼的內表面處處沒有電荷的性質，將帶電導體與導體內殼表面接觸時，帶電導體的表面成為導體殼內表面的一部分，帶電導體上電荷一定會全部轉移到導體殼的外表面上去.[1]根據這個規律，枕形導體伸入法拉第筒內且與筒的內表面接觸時, 枕形導體上的電荷全部轉移到到筒的外表面上，進而轉移到靜電計上.通過實際操作，讓兩個帶電后的枕形導體分別與法拉第筒內表面接觸，確實出現了相應的實驗現象，進而驗證了靜電感應使導體兩端帶等量異種電荷.