中学物理实验技能训练讲义正文 - 图文(9)

中学物理实验技能训练讲义

图11-2 静电电荷转移的检验

实际上，大家知道，作为绝缘体，它带电的情况与导体大不一样，绝缘体所带的电荷是以束缚电荷的形式出现的，因而不能像导体上所带的电荷那样可以自由移动、以传导的方式实现电荷的转移。试想，如果绝缘体上的电荷可以通过传导的途径转移，那从电荷产生伊始，它不就可以通过持棒之手跑掉了吗？哪里还谈得上转移电荷呢？实际上，带电的绝缘棒与导体接触后，导体上所得到的电荷是通过放电的形式转移而来的，即金属中的电子在强电场的作用下从金属表面逸出。导体表面电荷集中的尖端部分最易发生这种放电现象。

图11-3

如图11-3所示，在验电器导电杆上插一块表面光滑的薄金属板，用带电的有机玻璃棒或橡胶棒靠在金属板面上来回移动摩擦数次后再移开棒，发现验电器并未带上电荷，但若将棒靠在金属板边缘上刮擦一次，即可使验电器带上电荷。这正是由于金属板边缘电荷集中，电场较强，容易产生放电之故。事实上，在天气干燥时，只要将带电棒靠近金属板边缘而并不与之接触，就足以使验电器带上净电荷。若在此过程中细听，可听到带电棒与金属板边缘之间有“喳喳”的放电声。这个实验是很说明问题的，前述的将带电棒在验电球上转动摩擦，其作用也正是促进放电的发生。

按照以上的解释，通过放电转移到验电器上去的电荷的正负性质，应该与带电棒的一样。但是，一个善于思考的学生曾向笔者提出一个在实验中发现的问题：在天气干燥时将带正电的有机玻璃棒掠过插在验电器上的金属板后离开，发现原来带有正电荷的验电器指针偏角变小，这说明验电器上有净正电荷的减少，这又如何解释呢？的确，按照前述的电荷通过放电转移的观点，这一现象似乎不可理解。其实，验电器导电杆和指针作为一个整体处于带电棒的强电场中，由于静电感应，正电荷将聚集于验电器指针的下端，由于指针端头一般较细较尖，因此正电荷较易通过放电的形式逸出指针（本质上为空气中的电子被吸到指针上）。尽管在带电棒与金属板之间也可以有电荷的转移（使金属板得到正电荷），但若从指针下端逸出的正电荷较多，超过了从带电棒获得的正电荷的数量，移开带电棒后，就会看验电器指针张角反而变小。

综上所述，通常我们通过接触可以实现绝缘带电体上电荷的转移，但其本质上不是传导而是放电。对这个问题的正确理解，有助于我们把握静电实验的成败关键，提高实验的成功

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率。如利用法拉第冰筒演示静电平衡时电荷只分布在导体外表面的实验，许多物理教师都感到棘手，主要是将验电球从内壁取出后，验电球上也常常带有电荷。发生这种现象的原因大多是，冰筒与验电球之间产生了放电（冰筒内壁若存在尖端部分也会显著地影响实验结果）。在验电球从冰筒筒口经过时，它与筒口边缘之间，最易发生放电，从而导致验电球带电。为此，可采取适当扩大筒口特别是对筒口边缘进行磨光处理的措施，同时选用合适的验电球和注意操作，就可以保证实验的成功。

4. 指针式验电器的原理、结构 要正确有效地使用仪器，使用者对仪器的结构、原理必须要有正确的理解。静电仪器的使用也不例外。下面就验电器和韦氏起电机这两种常用的静电仪器谈谈这个问题。

4.1 验电器的结构

图11-4 验电器

如图11-4，验电器的结构并不复杂，原理也不难理解。但笔者在教学中发现仍有不少人对它的验电机理缺乏真正的理解，导致不能顺利地进行实验。例如，在怀疑验电器漏电时，常常有人会将绝缘块垫在验电器底座下面，理由是这样电荷就不会通过底座漏掉了。实际上，这样做对防止验电器漏电是一点作用也没有的。这是因为，验电器之所以能检验电荷，是因为导电杆和可以转动的指针是连通的，当导电杆带电后，指针也会带上同种性质的电荷，同种电荷之间要相互排斥，受到导电杆排斥的指针就会转过一定的偏角，从而反映出带电的情况。对如图4-4所示的这种结构的验电器，在验电器底座下垫一绝缘块固然能阻止其外壳上的电荷漏入大地,但却不能起到防止验电杆及与之相连的指针上所带的电荷漏至外壳,只有将导电杆与外壳之间隔离开来的绝缘塞才是起这个作用的。而若绝缘塞绝缘性能不好，使电荷得以漏到外壳，则将极大地影响验电器指针的偏转。在绝缘塞失效的情况下，导电杆与外壳导通，这时无论转移多少电荷到导电杆上来，都将看不到指针的偏转。因为在静电平衡时，导体上的电荷只分布于其外表面。在导电杆与外壳导通的情况下，导电杆、指针及外壳成为一个导体，而指针及导电杆的壳内部分处于整个导体的内部，将得不到电荷，指针因此不会产生偏转，在验电器底座下加上绝缘座也只能完全是徒劳的。因此，防止这类验电器漏电的正确方法是设法保持其导电杆与外壳之间的高度绝缘。具体方法首先是尽量选用绝缘性能良好的材料如有机玻璃作绝缘塞，其次是在绝缘塞与外壳之间熔一层石蜡并注意保持清洁和干燥。经过这样处理的验电器只要其指针转动灵活，就可以保证验电灵敏可靠。即使在较潮湿的天气，漏电也不会很快。当然，如果验电器本身长久不用，布满了灰尘，最好彻底清洗一遍，并用电吹风吹干，或者在太阳下晒干。经过这样的处理，再来判断验电器的绝缘塞与外壳是否绝缘，检验起来效果好得多。

4.2 韦氏起电机

韦氏起电机是一种手摇静电高压电源，有人根据其外观结构以为它是靠摩擦起电的，在使用中遇到不易起电时，常常会过快地转动手柄，结果适得其反。对手柄的摇动方向，有人也很随意，认为只要快摇即可。实际上，韦氏起电机的全称应为韦氏感应起电机，它起电的

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原理是静电感应。要使用好韦氏起电机，需要对它的结构原理和使用方法有较细致的了解。对此安忠、刘炳升主编的《中学物理实验教学研究》（高等教育出版社1989年版第417－419页）中有较详细的介绍，可供读者参考。

【实验内容】

1． 探究在静电条件下的常见物体的绝缘性能；

利用韦氏起电机给验电器带上同种电荷（如果能够直接利用丝绸和玻璃棒摩擦、毛皮和橡胶棒摩擦起电，也可以），使验电器指针张开一定的角度，依次把木棒、硬纸张、钢笔筒（或圆珠笔筒）、螺丝刀的绝缘把柄（或电线的绝缘皮）、玻璃棒、蜡烛等日常生活常见的绝缘物体接触验电器的导电杆，检验这些在低压下属于绝缘体的绝缘性能，做好记录，并将其绝缘性能按照从高到低排序。

2．探究韦氏起电机的高压尖端放电现象：

转动韦氏起电机，使其带电，把纸张（分一页、两页以及多页数次放入）、玻璃片等物理放入带电球之间，检验高压放电现象，并观察这些物理在高压下的导电和绝缘性能。做好观测记录。

3．探究静电转移和验证实验得以成功的关键；

直接将毛皮和橡胶棒摩擦，接触验电器，观察指针是否张开，做好记录，如果不张开，分析其可能原因；然后利用丝绸和玻璃棒摩擦，重复以上的实验并做好记录；

检查验电器，观察其是否有灰尘，是否比较潮湿，如果有上述情况，擦拭和烘干。 对带电的验电器呵气，或者用火焰靠近验电器，以研究环境湿度呵火焰对静电实验的影响。

把相互摩擦的橡胶棒和毛皮（以及玻璃棒和丝绸）紧紧挤压和摩擦,然后接触导电杆，观察指针是否张开，然后把带电棒放在导电杆上来回移动并旋转，观察 …… 此处隐藏：4913字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……