《中学物理实验研究》讲义(10)

导体上，那它产生的电压就低。对于一定的带电导体来说，如果所带电荷多，那它的电压就高；如果所带电荷少，那它的电压就低。因此，我们没有理由说静电的电压一定高（即有“电压高”的特点），更没有理由说静电的电压一定比“动电”的电压高。

b．说明静电有“电量少”的特点的实验。

使两个用绝缘丝线吊着的轻薄的小纸片感应带电（使其带上同种电荷）。然后提起丝线，两张片相斥推开。根据纸片所受的重力G、静电力F和丝线的张力T三力平衡，估算出纸片上的电量为10

－9

的

数量级，而一个手电筒小电珠上每秒钟所流过的电量约为C/3。这个数量约为纸片带电量的1000万倍。可见，纸片所带的电量非常微小。

上述论证也是不严密的。一般来说，静止物体和运动物体从数量上不是都能进行比较的。上述论证中，将静电荷与流过某一物体（截面）的动电荷从数量上进行比较必然涉及到时间的因素。在1秒钟内相比，静电少得可怜。但，在亿分之一秒、千亿分之一秒的时间内相比，静电是否还比流过小电珠的电量少得可怜呢？事实上情况是不同的。

综上所述，静电并没有所谓“电压高、电量少”的特点。 ②为什么通常的静电实验需要较高的电压？

在许多静电实验中，要求带电体的电压比较高。这主要是由两个因素决定的。

a．测量仪器的灵敏度。一般用的静电测量仪器，如箔片验电器、静电计的灵敏度都不高。一般认为较灵敏的纯金金箔（箔的厚度约为万分之一厘米）验电器，要使其张开一个看得见的小角度，也需近百伏的电压。一般的厂制指针静电计则需好几百伏的电压才能张开一个显见的角度。

b．显示装置的灵敏度和器材的性质。如带电体吸引中性体的实验，若带电体的电压不高，就很难使这个吸引作用能清楚而明显地显示出来。再如，介质的极化、电压不高、极化作用不大，也难以表现出来，等等。

③为什么静电实验的关键要解决绝缘问题？

要保证静电实验能顺利进行，就需使得带电体不容易漏电。静电实验中的漏电，就是带电体向周围的物体转移电荷。带电体是否容易转移掉电荷，主要取决于什么呢？对此，我们可以通过下例来粗略地分析。

设一个电容为C、带电量为Q0的导体球，由一根电阻为R的绝缘棒支撑着（假定周围空气的绝缘性能十分好），如图所示。由导体通过绝缘支柱放电的微分方程：

QdQ??0 Cdt （1）

可得导体球上的电量的变化情况由下式决定：

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Q?Q0e?tRC

（2）

导体球的电压（电位）随时间的变化情况由下式决定：

U?Q0?tRC eC （3）

假如导体球的电容为5pF（直径约10cm），开始时的电压为2000V，绝缘支柱长为20cm，半径为0.5cm，材料是干燥的木棒（其电阻率ρ约为1014Ω·mm2／m），其电阻R约为 2.5×1011Ω，那么，时间常数τ＝RC＝1.25s，由（2）、（3）式可得，ts后导体球上电量和电压的量值如下表所示（U0＝2000V，Q0＝CU0）： t（秒） Q/Q0 U（V） 0 1 2000 1 0.449 899 2 0.202 404 3 0.091 181 4 0.041 82 5 0.018 36 6 0.008 16 7 0.004 7 8 0.002 3 如果绝缘支柱是石蜡（电阻率约为1022Ω·mm2／m）做的，其电阻约为2.5×1019Ω，那么，τ＝1.25×108s，即约为4a，由（3）式可得，1h后，导体球的电压才从2000V下降到1999.9V。

显然，这个带电导体球如果用干燥木棒做绝缘支柱的话，电荷很快就漏光，根本无法用以实验；如果用石蜡做绝缘支柱的话，电荷不易漏掉，基本上能在实验时间内保持电荷不变。

由（2）、（3）两式和上例实际数值的计算可见，带电导体球是否容易漏电主要取决于RC的大小；如果导体球的电容和绝缘支柱的形状、大小一定，那么带电导体球是否容易漏电，主要取决于绝缘材料的电阻率ρ的大小。因此，为了使实验中没有明显的漏电现象，以保证实验能顺利进行，必须解决实验中的绝缘问题，选用绝缘性能好的绝缘材料。 （4）注意“偶然现象”

要随时准备发现是严重的偶然现象，这些偶然现象中有的并非偶然，可能包含我们未认识的事物和规律。能暴露我们思维的缺陷和实验的不足。

善于抓住偶然现象、发现问题、深入研究是实验研究者应用的素质。 例4：物体的稳度

高中教材都把物体不易倾倒的稳定程度叫稳度。并且通过对砖的三种放置状态、稳定情况的实验和分析，以及对照相机三角架稳定情况的论述，说明：稳度的大小跟物体的重心的高低和支面的大小都有关系，物体的重心越低、稳度越大，支面越大、稳度越大。

然而，日常生活和工农业生产中的许多实例说明，稳度的大小

图1 25

并非简单地决定于重心的高低和支面的大小。例如，如图1所示的两个大小和重量相同但形状不同的物体（可以是堆砌的砖块等），虽然重心高低和支面大小相同，但是很显然甲物体比乙物体稳。再如，如果将图3－16甲中照相机三角架的b杆拉长，C杆向后移（a，b杆的撑地点不变），如图2

图2 乙那样，尽管三角架（连照相机）的支面增大了，重心降低了，但是它的稳定程度反而降低了（用三角架支撑竹杆晒衣服的情况与此相同）。

说稳度与重心高低和支面大小有关，这仅是一种经验。

3.3 基本设计思想的形成

做实验方法和实验方案的研究，要善于分析、归纳实验的设计思想，找出实验中要解决的重点和难点及其解决办法。不仅如此，还应分析整个实验的设计思想以及分析实验中某一过程或某一方面的设计思想。

设计思想是为了解决问题而思维的结果。因此，分析设计思想首先要分析、判断设计思想所要解决的问题和所能解决的问题，只有这样才能为我们评价设计思想的优缺点，进而评价实验实施方案的优缺点提供实际意义的依据。

例1：闭合电路欧姆定律实验演示。

闭合电路欧姆定律演示实验，一般用拆开原电池法，如图所示（这是其中之一种）。为什么要拆开原电池？拆开原电池要解决什么问题？它能起到多大的作用？对此，在接受这个实验前，我们需要进行分析思考。孔子说：“视其所以，观其所由，察其所安，人焉瘦哉！”要了解一个人应该这样，要了解实验的设计思想，也应该首先从外表上观察它怎么做、起什么作用，

然后分析它为什么要这样做，最后检查它这样做的效果如何，内容、效果与原理是否一致。

我们知道，闭合电路欧姆定律演示实验需要使学生都能清楚地看到：当外电路电阻变化时，①内、外电压之和为一常数；②内、外电压有明显的变化（变化幅度尽可能大）。

要满足上述两点实验要求，必须使得：①电源的电动势较稳定；②电池的极化现象要小——电流不能太大，所以内阻不能太小；③测内电压用的探针的极化电动势要小——选合适的材料做探针；④需加大电池内电阻，内电阻与外电阻的大小关系恰当；⑤演示电表的量程及内阻恰当。①、②、③为满足第1个实验要求，④、⑤为满足第2个实验要求。这里，增大电源（电池）内电阻是实验方案要解决的一个关键问题。

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增大电源内电阻的常用方法有两种：①在两个内阻很小的电源中串一个电阻，作为模拟电源内电阻；②拆开原电池，控制电池内离子通道，如减小其截面积、增大其长度，以此来增大内电阻。图示的拆开原电池，在两个半电池之间用盐桥连接以增大内电阻就是采用这种方法。 例2：几何光学实验演示。

在几何光学实验中，我们可以用光盘来实验，也可以用烟箱来实验， …… 此处隐藏：2714字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……