高中物理靜電實驗的分析與改進

倪靜怡

摘? ?要：電學是高中物理的重要組成部分，該部分知識容量大、定理多、抽象度高，是高中物理教學的難點。靜電實驗則因其形象、生動、直觀等特點，能較好地突破難點。但靜電實驗由于受到絕緣性、環境等多方面因素的影響，成功率較低。文章闡述了靜電實驗的特點，分析影響靜電實驗成敗的因素，并提出了部分實驗的改進方案。

關鍵詞：靜電實驗；漏電；絕緣

早在公元前600年的古希臘，人們便開始關注靜電現象。16世紀，英國物理學家、醫學家吉爾伯特是第一個以較完善體系研究靜電的人，在他寫成的《倫磁》中，敘述了對靜電現象的研究內容。18世紀中旬，美國物理學家富蘭克進行了著名的“風箏-雷電”試驗，解釋了閃電的成因。18世紀后期，貝內特發明了驗電器，近似地測量出物體所帶的電量。此外，庫侖利用其設計的庫侖扭秤推導出了庫侖定律[ 1 ]。之后，大量的物理學家利用扭秤和驗電器，從定性的靜電現象研究轉向定量的研究。從此，人們在對各種自然現象的觀察以及研究總結后，對靜電實驗有了一定水平上的認知了解。

電學是高中物理的教學難點，該部分知識容量大、定理多、抽象度高，而靜電實驗的優點恰恰在于能將抽象的電學知識形象化，降低學習難度。可惜靜電實驗受到了各種因素的影響，其實驗現象不明顯，實驗結果不穩定。為此，本文分析了靜電實驗的失敗原因，并嘗試對其加以改進，希望靜電實驗能在教學中發揮其應有的作用。

1? 靜電實驗的特點及影響實驗成敗的因素

靜電實驗的基本特點是：電壓高電量少。實驗室中最常見的摩擦起電都能產生上千伏的電壓，更不用說感應起電機產生的電壓甚至高達5萬多伏。在高電壓的作用下，常見的絕緣體往往會變成導體，從而發生漏電現象，并且靜電實驗產生的電荷量都很少，大多只有10-6 C，由于漏電現象，其產生的電荷很快便消失了[ 2 ]。

結合靜電實驗“壓高量少”的特點，絕緣問題和漏電問題便成了決定靜電實驗成敗的兩個關鍵點。

1.1? 絕緣性

靜電實驗的特點是：高電壓，小電荷。絕緣體在高壓下極易轉化為導體，從而發生快速漏電現象。因此，材料的絕緣性是影響實驗成敗的關鍵因素。材料的絕緣性能首先與材料本身有關。另外，絕緣部件的老化，材料表層粘有水分、雜質等也會在很大程度上影響材料的絕緣性能。筆者在實驗中發現，石蠟是一種絕緣性能好且不易吸附水分雜質的絕緣材料，但其缺點在于天熱時容易變軟。為此，筆者將石蠟包裹于洗凈曬干的有機玻璃表面，便制成了硬度強、絕緣好且不被水浸潤的絕緣材料，用其作為支架、手柄，實驗效果良好[ 3 ]。

1.2? 環境

靜電實驗不同于其他實驗，空氣中的濕度、溫度等環境條件也是決定靜電實驗是否能成功的直接因素。一般情況下，在相對濕度大于70%，溫度高于40 ℃時，靜電實驗的失敗率較高。因此，在進行靜電實驗前，可以通過日曬、烘烤、吹風機、紅外線燈等工具保持其干燥度，需要注意的是不論用什么方法，儀器表面的溫度都不能超過50 ℃，從而防止儀器的老化[ 4 ]。另外，如果是晴天，還可以開窗通風保證室內空氣的干燥。

2? 靜電實驗的改進

結合靜電實驗的特點以及影響因素，筆者對高中物理教學中的部分靜電實驗進行了改進，現舉例說明如下。

2.1? 摩擦起電實驗的改進

摩擦起電是人類最早發現的與電有關的現象，也是最為常見的起電方式之一。學生在初中時已經學習過了摩擦起電，但對其內部原理掌握得還不夠熟悉。在學習電學初期，給學生展示一些摩擦起電的實驗，可以喚醒學生的記憶，減小學生對電學知識的畏懼感。

在中學課堂中，通常會用驗電器去檢驗摩擦后的物體是否帶電（如圖1）[ 5 ]，但實驗現象往往不太明顯甚至毫無現象。這是由于摩擦產生的電量少且在不夠干燥的天氣里易于流失。

那么，如何獲取較多電量呢？筆者在實驗中發現了兩種效果較好的起電材料：（1）準備兩塊包裝用的白色泡沫塑料，其中一塊平整地包上尼龍布。摩擦后的兩塑料板，包尼龍布的帶正電，不包的帶負電。也可將尼龍布換成塑料膜，同樣與另一塊摩擦，包塑料膜的帶負電，不包的帶正電[ 6 ]。（2）光盤是性能良好的絕緣材料，用不掉毛的毛皮摩擦整個光盤，可以獲得較大電量，即使與手碰觸也不易漏電。值得注意的是：在做摩擦起電的實驗時，材料間不宜多次往復摩擦，只需單向摩擦兩到三次即可，摩擦過后應迅速分離。

另外，靜電計的漏電問題也是導致實驗效果不佳的另一因素。長期暴露在空氣中的靜電計表面往往附著有塵埃、水分等物質，從而使其絕緣性減弱。除了在靜電計的底部墊上絕緣物質防止外殼上的電量被大地中和，還需要防止指針與外殼連接處的絕緣塞的漏電現象。具體做法是：選用絕緣性能好的有機玻璃作為絕緣塞，并在外殼與絕緣塞之間熔上一層石蠟。經過這樣處理的靜電計，即使遇上潮濕的天氣，漏電速度也大幅降低。此外，還可以使用驗電筆中的氖泡代替靜電計。由于靜電實驗中產生的電壓遠高于一般氖泡的起輝電壓（60 V），將氖泡的1個電極沿白色泡沫塑料或者光盤表面緩慢移動，在昏暗的房間內會發出斷斷續續的閃光，并同時伴有噼里啪啦的放電聲[ 7 ]，能大大提高實驗的趣味性。

成功的實驗不僅能讓學生充分地認識摩擦起電現象，還能夠讓學生從現象中催生新問題：摩擦是如何讓物體帶上電荷的？學生的思維由此而展開。實驗中，學生學會了觀察和思考，學會了應用知識去解釋生產和生活中的現象，培養了學生熱愛科學、勇于探索的精神。

2.2? 感應起電實驗的改進

感應起電是使物體帶電的另一種常見方法。學生在生活中接觸過感應起電，比如：帶電物體吸引通草小球等，但由于未對現象進行深入剖析，學生并不知道這里面包含有感應起電的知識。不僅如此，對于感應起電，還需要深入剖析接地、兩導體分開、移走外部帶電體等情況，學生常常覺得抽象難懂。因此，需要通過實驗為學生累積感性素材，化解難度。

圖2是人教版教材所提供的感應起電的實驗裝置。該實驗能很好地演示感應起電，但由于教室內的學生多，呼出的水汽多，空氣濕度大，金屬箔片上的電荷難以聚集。因此，當帶電體C靠近枕形導體時，金屬箔片張開的角度不大。A和B分開后，金屬箔片更是很快閉合，致使后續實驗難以進行。

為了提高實驗的成功率，筆者對實驗裝置進行了以下改進：（1）增加帶電體C的電量：最初的想法是將感應起電機與帶電體C相連并讓C靠近導體A，但起電機的高電壓容易使周圍的空氣被擊穿，使C向空氣放電，從而使導體A和B都帶上正電。因此，必須選取帶電量大且電壓較低的帶電體，為此筆者選用了PVC管，通過摩擦起電的方式使其帶電，以此來替代帶電體C。（2）減小金屬箔片的漏電速度：首先，用金屬易拉罐代替枕形導體A和B，以此來減小由于枕形導體表面不夠光滑引起的放電現象。接著，取下驗電器頂端的金屬球，換上法拉第圓桶，讓法拉第圓桶與易拉罐的底面充分接觸并用膠槍將其固定（如圖3）。由于驗電器的外圍存有玻璃，使驗電器內的金屬片和潮濕的空氣隔離開來，金屬片的漏電速度大大降低，張角明顯。

通過對實驗裝置的合理優化，學生經歷了感應起電的探究過程，透過現象從微觀角度理解了感應起電的內在作用規律，揭開了感應起電的神秘面紗。良好的實驗結果能夠化解知識上的難點，幫助學生實現知識的內化，培養學生的實驗探究能力，促進核心素養的形成。

2.3? 平行板電容器實驗的改進

電容器是電學的重要儀器，廣泛地應用于各種電子元件中。雖然與學生的生活緊密相關，但由于它大多存在于電子元件內部，學生在生活中很少與之直接接觸，對其功能與性質都較為生疏。因此，實驗是學生了解電容器，探究其特性的必備手段。

圖4為定性探究平行板電容器的電容值C與哪些因素有關的實驗裝置。該實驗也是極難成功的一個靜電實驗，其原因在于：金屬板的漏電現象、尖端放電現象和靜電計的絕緣性能不佳。教科書中將該實驗安排在得出電容的定義式之后，可以讓學生利用剛學過的知識去分析和解決實際問題。既探究出了新知識，又加深了對舊知識的理解。為此，筆者采用了教材中的實驗方案，并對實驗進行了以下改進：

（1）為防止尖端放電，該實驗選用兩圓形金屬板，并用塑膠包邊，膠條包在金屬板周圍（留出一小口用于固定導線），再將膠條用透明膠帶固定好。實驗之前，用吹風機將金屬板吹干。對于極板下面的絕緣支撐物，洗凈烘干后用石蠟包裹表面，減慢金屬板的放電速度。該實驗中，用來固定導線的鱷魚夾的尖端放電現象也是影響實驗效果的重要因素。為此，可用小圓形的強磁鐵代替鱷魚夾，將導線壓在留出的小口處。

（2）該實驗中，感應起電機使靜電計的兩極間帶上了高壓，靜電計的絕緣性能大大降低。實驗前必須對靜電計的橡皮塞按"摩擦起電"實驗中提供的方法加以處理。

（3）在研究電容值C與介電常數ε的關系時，應先將兩極板間的距離調整至一適當值（距離太小介質插入時容易碰觸到極板，距離太大實驗現象不太明顯）。大量實驗表明，插入介質前，兩極板間的距離d=6 cm效果較好。對于實驗中使用的介質，可以采用較厚的塑料板，并使塑料板與兩極板平行。

（4）在研究電容值C與兩極板間距d的關系時，為了保證金屬板能平行移動，可將兩極板安于軌道上，將電容器的一極板相對于另一極板移動適當的距離，移動時應迅速。

課堂上，學生像科學家一樣進行探索，通過觀察、實驗等方法獲取知識，培養了觀察、分析、歸納的能力，學生的科學思維和科學探究能力都得到了鍛煉。

總之，靜電實驗因其生動、直觀等特點，將抽象的電學知識形象化，不但降低了教學難點，還激發了學生的好奇心，培養了學生的邏輯思維能力。因此，靜電實驗是電學的教學重點，但其受到絕緣性和環境因素的影響，又是實驗教學中的最大難點。筆者根據平時的教學經驗，對影響靜電實驗成敗的因素加以分析，并提出改進方案。物理教師應不斷總結經驗，大膽創新，使電學實驗成為課堂教學中的一大亮點。

參考文獻：

［1］ 史小紅.靜電實驗教學探索[J]. 中國校外教育，2011（8）：105.

［2］ 周小燕.中學物理靜電演示實驗研究[J].物理實驗，2014，34（1）：15.

［3］ 吳永熙，王明怡，劉軍.談談靜電實驗[J].大學物理，2002（2）：37-38.

［4］ 陳寧寧.怎樣做好靜電演示實驗[J].物理通報，2006（12）：25.

［5］ 史小紅.靜電實驗教學探索[J].中國校外教育，2011（8）：105.

［6］ 蔣鐵民，陳旭.改進靜電實驗的探索[J].物理教師，1990（3）：27-28.

［7］ 周俊宏.趣味性靜電實驗研究[J].科技資訊，2016，14（11）：86.