用帶電薄錫紙改進電荷間相互作用演示裝置

廣東省梅州市梅縣區高級中學(514011) 李葉賢

1 問題的提出

人教版高中物理選修3-1教材中采用如圖1所示的實驗裝置來定性探究影響靜電力大小的因素。保持帶電小球q1和q2的帶電量不變，探究球間距和靜電力大小的關系；或者保持球間距不變，探究球帶電量和靜電力大小的關系。由于缺少材料和較難讓球帶電，導致教師較少演示此實驗。針對此問題，聯想到驗電器的工作原理是用帶電金屬箔的張合來驗證物體是否帶電。受此啟發，能否用懸掛的帶電金屬箔受到靜電力后，偏離豎直方向的夾角大小來定性探究影響電荷間相互作用的因素呢?

圖1 教材實驗裝置

2 實驗器材

薄錫紙1張、感應起電機1臺、帶支架的金屬圓盤2個、導線2根、鐵架臺1個、絕緣細絲線2根。

3 實驗原理

取與金屬圓盤面積差不多的薄方錫紙1張,在其上方鉆2個小孔，并掛上絕緣細線。為了讓錫紙穩定擺動，把錫紙最下方部分卷成直徑2 mm左右的實心小圓筒。此步驟可讓錫紙的重心下移，有利其穩定的擺動，方便實驗現象的觀察和分析。

按如圖2所示安裝好實驗器材，首先用導線把感應起電機起電端和金屬盤各自連接起來，用絲線把薄錫紙懸掛在鐵架臺上，調整高度使其中心與盤中心等高，慢慢地移動錫紙使其接觸金屬盤。搖動感應起電機的手柄，使萊頓瓶開始充電。隨著電量逐漸增多，由于薄錫紙和接觸的金屬盤帶同種電荷，其受斥力；薄錫紙和對面的金屬盤帶異種電荷，其受吸引力。每當薄錫紙接觸到對面的金屬盤時，薄錫紙上的電荷與盤上的異種電荷中和，發出“啪啪”的輕微放電聲。隨后，中和電荷后的薄錫紙又與剛接觸的金屬盤帶同種電荷，其受斥力又彈回原處。因此，薄錫紙在金屬盤間不斷來回擺動，而且手柄搖動越快，錫紙擺動得越快。此現象說明帶同種電荷的物體間互相排斥，帶異種電荷的物體間互相吸引。

圖2 改進實驗裝置

4 實驗過程

解決了物體帶電問題，下一步通過控制變量法探究影響靜電力大小的因素有哪些？由于帶電體能吸引不帶電的輕微物體。帶電金屬盤吸引薄錫紙，不能確定薄錫紙是否帶電。因此，我們用帶同種電荷物體間的排斥力來探究電荷間的相互作用比較合適。

4.1 保持同種電荷的物體間距不變，探究物體帶電量和靜電力大小的關系

(1)把感應起電機的兩個金屬球接觸放電后，再分開。取走一金屬盤，如圖3(a)所示，用導線把感應起電機起電端與剩余盤連接起來，并讓懸掛的薄錫紙與盤接觸。

(2)搖動手搖感應起電機的手柄，由于薄錫紙與接觸盤帶同種電荷，如圖3(b)所示，薄錫紙會遠離金屬盤。停止搖動，錫紙會在偏離一定角度θ后靜止。

通過受力分析可知，質量為m的錫紙受到的靜電力F=mgtanθ。繼續搖動手柄，隨著金屬盤聚集的電荷越來越多，錫紙受力平衡狀態被破壞，原來靜止的錫紙偏離豎直方向的夾角θ越來越大。這些現象說明帶電薄錫紙和盤間的靜電力隨著電量的增加而增大，隨著電量的減少而減小。

4.2 保持同種電荷物體的帶電量不變，探究物體間距和靜電力大小的關系

(1)讓薄錫紙與金屬盤接觸，搖動感應起電機的手柄，使它們帶同種電荷互相排斥。停止搖動感應起電機的手柄，金屬盤和錫紙的帶電量不變。

(2)如圖3(c)所示，移動金屬盤讓其遠離帶電薄錫紙，則錫紙偏離豎直方向的夾角θ越來越小。

(3)如圖3(d)所示，移動金屬盤讓其靠近帶電薄錫紙，則錫紙偏離豎直方向的夾角θ越來越大。

圖3 實驗過程

通過此現象說明在帶電錫紙和金屬盤帶電量不變時，它們間的靜電力隨著距離的增加而減小，隨著距離的減少而增大。

綜合上面的實驗可知，靜電力隨物體的帶電量增加而增加,隨物體間距增加而減小。

5 實驗教學效果與評價

本改進實驗取材簡單，使用實驗室的感應起電機、帶支架的金屬圓盤和燒烤用錫紙,器材組裝方便，帶電錫紙擺動角度大，現象更明顯。教師利用日常生活中的材料自己動手改進教材實驗，可活躍課堂氣氛，提高學生學習興趣，激發學生主動思考，加深對實驗原理的理解，為學生掌握理解物理規律提供了極大的幫助。在講授本改進實驗的原理時，還可打破思維桎梏，培養其創新意識和創新能力，并為以后講解庫侖扭秤實驗的原理做好鋪墊。在實際的課堂教學中，學生對本實驗印象深刻，反應熱烈，取得了非常好的教學效果。