例談電壓表和靜電計的區別

摘?要：電學實驗是高考的必考內容。電壓表和靜電計是電學中常用的儀器，它們均可用來測量電勢差，但由于構造和原理不同，其應用本質上也有所不同。

關鍵詞：電學儀器;電壓表;靜電計;構造;原理;應用

中學物理學科核心素養是指物理觀念、科學思維、實驗探究和科學態度與責任這四個方面。而科學思維是物理學科核心素養的重要內容。我們在學習中，不但要掌握知識點的概念和規律，靈活運用所學知識解決問題，更要學會分析解決問題和探究問題的實質，培養解決問題的能力，最終實現培養學生科學思維品質。下面就電壓表和靜電計兩種電學儀器為例，它們同是測量電勢差，但本質卻不相同，筆者從構造、原理和應用上進行分析說明。

一、 問題的提出

電壓表和靜電計是電學中常用的儀器，它們均可用來測量電勢差，但很多同學會提出這樣一些問題：為什么靜電計能測電勢差？它的理論依據是什么？能否用電壓表來測平行板電容器兩極板間的電勢差？電壓表和靜電計測電勢差有什么不同之處嗎？等等。

辨析：正確答案為CD。

很多同學得出了錯誤的答案A，其原因在于對電壓表和靜電計的構造、原理及其應用的區別不清楚，才導致上述錯誤。

對于靜電計和電壓表，我們不僅要知道其構造，還要知道其原理，更要知道其應用和區分。只有這樣我們才能真正了解和掌握靜電計和電壓表。

二、 靜電計的構造、原理及其應用

（一）構造

靜電計是在驗電器的基礎上制成的，如圖2所示。在金屬外殼中絕緣的安裝一根金屬細桿，細桿的上端是金屬小球，細桿的下部是一根可以偏轉的金屬指針，并附有一個圓弧形標尺來顯示指針偏轉的角度。

（二）原理

驗電器的金屬球、金屬桿的指針與金屬外殼是彼此絕緣的，所以指針與外殼之間構成了一個電容值很小的電容器。使用時把靜電計與帶電的電容器兩極板相連接（通常外殼還要接地以確保實驗安全），相當于兩個電容器并聯。當電容器帶電時，靜電計也就帶了電。其可動指針和固定指針因帶有同種電荷而相互推斥，使可動指針張開一定角度。穩定時指針張角φ與指針的帶電荷量Q成正比，而Q又與靜電計得到的電勢差（電容器兩極板間的電勢差）成正比，即Q=CU，所以靜電計指針張角的大小反映出了帶電的平行板電容器兩極板間的電勢差的大小。

（三）應用

由靜電計的工作原理可知，利用靜電計可以用來測量靜電場中的電勢差，由于靜電計的金屬桿與金屬外殼之間是絕緣的，在用它測電勢差時是斷開的，所以指針穩定時靜電計中是無電流的。

【例2】?在如圖3所示的實驗中，平行板電容器的A極板與靜電計相連，B極板接地，若將B極板稍向上移動一點，試根據觀察到的靜電計指針變化，判斷出平行板電容器電容變小的說法正確的是（??）

A. 兩極板間電壓不變，極板上的電量變大

B. 兩極板間電壓不變，極板上的電量變小

C. 兩極板上的電量幾乎不變，兩極板間電壓變大

D. 兩極板上的電量幾乎不變，兩極板間電壓變小

解析：分析時應注意以下兩點：其一，靜電計指示的是平行板電容器的電壓;其二，此實驗操作過程中可以認為平行板電容器極板上電荷量幾乎不變。故A、B答案不正確。

當靜電計指針變化時則表示電容器上的電壓的變化。

當電容器的B極板稍向上移動一點時，實驗表明指針的偏角變大，即平行板電容器的電壓變大。由于平行板電容器AB極板上的電荷量幾乎不變。據電容器的電容定義式C=QU可知，平行板電容器的電容變小，所以答案為C。

三、 磁電式電壓表的構造、原理及其應用

（一）靈敏電流表的構造

中學物理實驗室里所用電表是磁電式儀表，（如圖4所示）其構造是在一個很強的蹄形磁鐵的兩極間固定一個圓柱形鐵芯，鐵芯外面固定一個可以繞軸轉動的輕質鋁框，在輕質鋁框上繞有線圈，輕質鋁框的轉軸上固定兩個螺旋式彈簧和一個指針，線圈的兩端點分別接在這兩個螺旋式彈簧上，被測電流經過這兩個螺旋式彈簧流入線圈。

圖4?電流表的構造

（二）工作原理

蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場是按輻向均勻地分布的，（如圖5所示）當線圈中有通過電流時，線圈上跟轉動軸軸平行的兩邊導線都會受到安培力作用，這兩個安培力產生的力矩使線圈轉動，線圈轉動時會使螺旋彈簧扭動，彈簧產生一個阻礙線圈轉動的力矩，力矩增大線圈轉過的角度也增大，當兩者的力矩相平衡時，線圈便停止轉動。因而可以根據指針的偏轉角度的大小，知道被測電流的大小。如果通過線圈的電流方向發生變化，線圈所受安培力的方向也改變，指針的偏轉方向隨之發生變化，所以我們根據指針的偏轉方向，來確定被測電流的方向。

（三）應用

電壓表是由磁電式電流表改裝而成的，電壓表要有示數，就必須有電流通過;若沒有電流通過電壓表，即便有電勢差，電壓表也無法測其電勢差。

【例3】?如圖6所示，U形導體框abcd處在勻強磁場中，勻強磁場的磁感強度為B，方向垂直紙面向里。長度為L的直導線MN中間連接一電壓表，直導線MN跨接在ab和cd上，且與ab、cd垂直，MN與框架間是完全光滑的。C為電容器，R為電阻。現使直導線MN以速度v0向右勻速運動，用q表示電容器所帶的電量、U表示電壓表的讀數、F表示對MN的拉力、C表示電容器的電容（由于電壓表的體積很小，MN間電壓受線圈切割磁感線的影響可忽略不計），則（??）

解析：此題容易錯選C，但正確答案選B。

在導線MN做切割磁感線運動，由法拉第電磁感應定律知導線MN兩端有電勢差，由于電路中有電容器，回路中無電流。只有電流通過電壓表時，電壓表會有讀數。若無電流通過，即便電壓表兩端有電壓，電壓表也是不會有示數的。由于電路中無電流，也就不受安培力。故B選項正確。

在靜電場中若兩導體間存在電勢差，當兩導體間接入電壓表后，由于電荷的定向移動而會使電荷重新分布，靜電場中的電勢也會改變。如果我們把例題2的電容器兩極板間接入一塊電壓表，會出現什么結果呢？答案是電容器兩極板所帶的等量異種電荷，通過電壓表放電完全中和，電壓表示數為零，因而靜電場中電勢差不能用電壓表測量。

在明確了電壓表和靜電計的構造、原理和應用后，例題1是不是也就容易解決了。

對例題1的再認識：當電鍵S閉合后，電路中有電流通過，電容器處于充電狀態;當充電結束，電路穩定后電路中沒有電流，由于無電流通過電壓表因而其讀數為零，這時電壓表相當于一個非常大阻值電阻而將電容器C1短路，電源與在電容器C2連接，由于靜電計與電容器C2并聯，因而靜電計兩端的電勢差等于電源電動勢E，所以正確答案為CD。

總之，靜電計和電壓表雖然都是用來測量電勢差的儀器，但其構造、原理及應用都有本質上的不同。我們要正確區分它們，不僅要知其一（構造），知其二（原理），更要知其三（應用）。

參考文獻：

[1]鄭金山，陳金貴.運用物理方法培養學科核心素養：以魯科版·高中物理選修3-1為例[J].福建基礎教育研究，2019（10）：109-110.

作者簡介：

李茂華，山東省臨沂市，山東省平邑第一中學。