巧設(shè)實(shí)驗(yàn)助力學(xué)生對(duì)電勢(shì)能的理解

薛昊

摘 要：電勢(shì)、電勢(shì)能是中學(xué)物理教學(xué)的難點(diǎn)之一，學(xué)生難以構(gòu)建相關(guān)的物理概念，其中重要的原因之一就是缺少實(shí)驗(yàn)來輔助學(xué)生深入理解物理概念和相關(guān)規(guī)律.本文利用簡(jiǎn)單器材設(shè)計(jì)了一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直接感受到電荷在電場(chǎng)中具有電勢(shì)能，此實(shí)驗(yàn)突破了學(xué)習(xí)電勢(shì)能的難點(diǎn).

關(guān)鍵詞：電勢(shì)能;實(shí)驗(yàn);難點(diǎn)

電場(chǎng)是高中物理選修3-1部分內(nèi)容，由于電場(chǎng)看不見、摸不著，教學(xué)上雖然交代了電場(chǎng)與實(shí)物是物質(zhì)存在的兩種不同形式，但學(xué)生仍難以理解，對(duì)于區(qū)別于實(shí)物的具有空間可入性的電場(chǎng)還是難以接受.同時(shí)，電勢(shì)能、電勢(shì)是電場(chǎng)中重要的物理概念，也是高中物理教學(xué)的難點(diǎn)之一，關(guān)于電勢(shì)能和電勢(shì)的教學(xué)與討論的研究工作很多，也致力于關(guān)于如何讓學(xué)生理解電勢(shì)能等相關(guān)概念，但是由于缺乏相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)支撐，所以對(duì)學(xué)生來說，很難建構(gòu)這兩個(gè)相關(guān)的物理概念.為了幫助學(xué)生形象理解，筆者從能量轉(zhuǎn)化與守恒定律出發(fā)，設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠讓學(xué)生直接感受到電荷在電場(chǎng)中具有電勢(shì)能的實(shí)驗(yàn).

一、實(shí)驗(yàn)裝置

學(xué)生電源（12V），靜電感應(yīng)起電機(jī)（J23108275）、平行金屬板一對(duì)（直徑20cm）、多個(gè)泡沫小球（外裹金屬箔），鐵架臺(tái)一個(gè).實(shí)驗(yàn)用金屬箔球的選擇可以是直徑為1-3cm的圓型球（也可以是直徑為2.5cm，厚為1.5cm的圓柱體），金箔可選包裝盒內(nèi)層的鋁箔，另外，我們還需要橡膠棒和毛皮.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1和圖2所示.

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中我們利用圓盤狀平行板電容器作為提供勻強(qiáng)電場(chǎng)的裝置，圓盤直徑為20cm，板間距為5-8cm.極板通過與毛皮摩擦過的橡膠棒接觸帶電，極板上電荷均勻分布，可視為等勢(shì)體.為了讓實(shí)驗(yàn)效果顯著，圓柱形金屬箔球的直徑達(dá)到2.5cm， 厚度為1.5cm.圓柱形金屬箔球的帶電方式可以有三種：與毛皮摩擦的橡膠棒接觸帶電;與帶電圓盤極板接觸帶電;利用靜電感應(yīng)，將圓柱形金屬箔球置于平行板之間偏離中間位置的區(qū)域，靜電感應(yīng)使箔球帶電.

三、實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象

如圖1所示，原來靜止在下極板上的金屬箔球在感應(yīng)起電機(jī)工作后，上下跳動(dòng)起來，有的小球能撞到上極板.也就是說，感應(yīng)起電機(jī)的兩個(gè)接線柱和兩個(gè)平行極板相連接，將金屬箔球放置于下極板上，搖動(dòng)感應(yīng)起電機(jī)手柄，由于受到電場(chǎng)力作用，金屬箔球受力迅速上升，與上極板接觸后，金屬箔球帶正電，從而金屬箔球會(huì)在電場(chǎng)力作用下實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng).

四、實(shí)驗(yàn)分析

下極板上的金箔球帶有與下極板同種的電荷，因?yàn)橄嗷ヅ懦猓覀冇^察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為金屬箔球向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)和高度的提升意味著箔球自身動(dòng)能和重力勢(shì)能的增加，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，可以得出這樣的結(jié)論：箔球所增加的機(jī)械能應(yīng)該是由其它某種形式的能量轉(zhuǎn)化而來的，而這種能量應(yīng)該是由于帶電箔球處于電場(chǎng)中所具有的能量.其與重力場(chǎng)中處于某一高度的物體具有重力勢(shì)能類似，處于靜電場(chǎng)中的帶電體具有一定的勢(shì)能，稱為電勢(shì)能.

五、實(shí)驗(yàn)效果

上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較明顯，演示效果較好，但也會(huì)由于某些因素的影響而使實(shí)驗(yàn)受到干擾，下面我們分析該實(shí)驗(yàn)的可能影響因素及避免方法.首先考慮實(shí)驗(yàn)損耗，通常情況下，由于實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，摩擦?xí)垢袘?yīng)起電機(jī)的兩個(gè)小鐵刷逐漸磨損，導(dǎo)致帶電量不足并影響到實(shí)驗(yàn)效果.其次考慮環(huán)境因素的影響，如果空氣不夠干燥，通常需要利用電熱風(fēng)將起電機(jī)及周圍空間保持干燥，實(shí)驗(yàn)效果會(huì)更佳.最后關(guān)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的演示，可能會(huì)出現(xiàn)小球運(yùn)動(dòng)速度過快，學(xué)生觀察不到位的情況.可人為設(shè)計(jì)降低小球運(yùn)動(dòng)速度的方法，從而延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提升學(xué)生的觀察效果.大致方法如下：用絕緣木夾夾著箔球，使箔球與毛皮摩擦過的橡膠棒相接觸，使之呈負(fù)電性，之后將帶電箔球放入平行板之間，松開箔球，箔球會(huì)在電場(chǎng)力作用下向上運(yùn)動(dòng)，由于帶電方式改變，使箔球帶電量減小，其所受到的電場(chǎng)力減小，小球速度變小，從而便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

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