以小見(jiàn)大
——靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)再探

楊雪怡 陳恩旋

（廣西師范大學(xué)科學(xué)教育研究所 廣西 桂林 541004）

作為人教版高中《物理·選修3-1》教材中第一章靜電場(chǎng)第1節(jié)就出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)——靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)，它的重要性可見(jiàn)一斑.一個(gè)成功的靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)至少能為學(xué)生表明兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：（1）感應(yīng)起電.導(dǎo)體在靜電場(chǎng)作用下，導(dǎo)體上的自由電子受電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)而發(fā)生移動(dòng)，產(chǎn)生的電荷再分布現(xiàn)象；（2）近異遠(yuǎn)同.導(dǎo)體在靜電場(chǎng)作用下達(dá)到靜電平衡時(shí)，其上感應(yīng)電荷分布的特點(diǎn)是：導(dǎo)體靠近原帶電體一端的感應(yīng)電荷為異種電荷，而導(dǎo)體遠(yuǎn)離原帶電體一端的感應(yīng)電荷為同種電荷，同時(shí)，近端、遠(yuǎn)端所帶的感應(yīng)電荷量是等量的.做好、做成靜電感應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生對(duì)電荷守恒定律有更為深刻的了解.然而，靜電本身具有電荷量少、電壓高等特點(diǎn)，不易“捕捉”.在教師實(shí)驗(yàn)中，靜電容易擊穿空氣，產(chǎn)生空氣電離現(xiàn)象，導(dǎo)致靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象易從感應(yīng)起電變?yōu)殡姾赊D(zhuǎn)移，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不成功；還存在對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器事前檢查、實(shí)驗(yàn)中操作不當(dāng)而出現(xiàn)靜電“跑掉”、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯等狀況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗.

1 實(shí)驗(yàn)方式

1.1 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)背景

作為未來(lái)的新手教師，在學(xué)習(xí)羅星凱教授《中學(xué)物理疑難實(shí)驗(yàn)專題》一書(shū)中，筆者小組對(duì)高中物理涉及靜電的實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)行了研究和學(xué)習(xí)［1］.關(guān)于靜電感應(yīng)這一實(shí)驗(yàn)，張連之老師在課本基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)，其中提到小金屬球曲率大，會(huì)因產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，所以采用連接大金屬球方式降低曲率；同時(shí)，采用靜電計(jì)代替普通金屬箔片作為展示裝置，使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯［2］.

1.2 實(shí)驗(yàn)原有問(wèn)題

還原以上實(shí)驗(yàn)操作中我們發(fā)現(xiàn)，原裝置下的實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有很理想的成功實(shí)現(xiàn).檢查后發(fā)現(xiàn)，由于在原裝置連接韋氏起電機(jī)和金屬大球C中存在兩個(gè)問(wèn)題，其一，金屬大球上的電荷量需要足夠大的情況下才能讓靜電計(jì)感應(yīng)起電.由于靜電本身特性使它“捉摸不定”，極容易放電，產(chǎn)生電離現(xiàn)象，不僅在用導(dǎo)線連接韋氏起電機(jī)和大球的這一步驟時(shí)容易漏電，而且靜電從韋氏起電機(jī)產(chǎn)出通過(guò)導(dǎo)線導(dǎo)至金屬大球上后，很難再使靜電計(jì)上的金屬球感應(yīng)起電.其二，則是金屬球過(guò)大，用原裝置除了會(huì)使靜電計(jì)上的金屬球受到感應(yīng)起電外，還會(huì)使靜電計(jì)的金屬外殼也受到感應(yīng)起電的影響.

1.3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方式

在此基礎(chǔ)上，我們采取圖1裝置連接方式，同時(shí)更改實(shí)驗(yàn)方法.

首先，用絕緣膠帶以纏繞的方式將絕緣架臺(tái)與金屬大球C連接，使得金屬球C與靜電計(jì)A的金屬球接觸，再用裝有絕緣底座的金屬桿D將A和B兩靜電計(jì)連接，方便移動(dòng).這樣，不用韋氏起電機(jī)也能完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程；同時(shí)，也避免了帶電的金屬大球?qū)ρb置的其他部分產(chǎn)生影響，導(dǎo)致最終實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯.

由此，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)后，實(shí)驗(yàn)操作就變?yōu)橹苯硬捎媚Σ疗痣姷姆绞剑媒z綢摩擦有機(jī)玻璃棒后感應(yīng)金屬大球C，使得靜電計(jì)A和B感應(yīng)起電.此時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為：一開(kāi)始，靜電計(jì)A，B指針張開(kāi).此時(shí)快速移開(kāi)金屬連接桿D與有機(jī)玻璃棒，發(fā)現(xiàn)兩靜電計(jì)指針?lè)€(wěn)定張開(kāi)，張角基本相同，如圖2所示.再將金屬連接桿重新連接靜電計(jì)A和B，發(fā)現(xiàn)指針閉合，如圖3所示，實(shí)驗(yàn)效果良好.

圖2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程，指針張角基本相同

圖3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程，指針閉合

2 注意事項(xiàng)

對(duì)于靜電實(shí)驗(yàn)，一處小小誤差就可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不成功.所以對(duì)裝置的檢查必不可少.尤其是處于濕潤(rùn)的南方，筆者小組做實(shí)驗(yàn)時(shí)正值“回南天”，空氣濕度相當(dāng)大，但做好實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備及裝置檢查后，成功率也非常高.實(shí)驗(yàn)前，首先需要檢查實(shí)驗(yàn)所用靜電計(jì)的絕緣塞是否完好，如存在殼、桿連接處不絕緣導(dǎo)致靜電計(jì)漏電，可采取吹風(fēng)機(jī)吹融石蠟填充絕緣塞周圍，保證殼、桿之間絕緣.然后再用酒精清理干凈靜電計(jì)與金屬大球、金屬桿、有機(jī)玻璃棒等表面；其次，在實(shí)際操作過(guò)程中，如需采用絕緣材料，如制作金屬球C的支架、金屬桿D的支架等，則先用靜電計(jì)檢查材料在靜電下的絕緣性，避免因材料問(wèn)題導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失??；最后，實(shí)驗(yàn)前若室內(nèi)潮濕則可開(kāi)窗通風(fēng)，如擔(dān)心手心出汗，可以提前烘干絲綢，并放幾塊備用，在摩擦起電時(shí)注意采取用力按壓摩擦的方式.這樣基本就可以比較順利地完成“難以捉摸”的靜電實(shí)驗(yàn).

3 改進(jìn)展望

筆者這次的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)并不十分完美.最遺憾的一點(diǎn)是懸掛架臺(tái)的方式，因時(shí)間與材料限制，使用了絕緣膠帶密封的鐵架臺(tái)進(jìn)行懸掛使金屬球C與靜電計(jì)接觸，而不是直接采用絕緣支架.此處如有合適絕緣材料當(dāng)作支架來(lái)支撐大球會(huì)更加合適.當(dāng)筆者小組對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)后，最終在課堂上展示時(shí)取得了成功.筆者小組正是在備課時(shí)的一次次實(shí)驗(yàn)失敗中完成了對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)步驟的細(xì)化，提高了實(shí)驗(yàn)成功率.

在課堂上最終實(shí)際操作時(shí)，無(wú)論是否出現(xiàn)靜電的漏電或者產(chǎn)生其他有誤差的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，都可及時(shí)調(diào)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)學(xué)生積極性，分析實(shí)驗(yàn)裝置步驟可能出現(xiàn)的問(wèn)題，帶領(lǐng)其完成探究性的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)物理學(xué)科的興趣.作為剛離開(kāi)學(xué)校、走上講臺(tái)的新手教師，在講課前難免心里沒(méi)底、心里打鼓，如果做好了這個(gè)課本開(kāi)篇就出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，并能在如此不確定的實(shí)驗(yàn)中做得小有成效，那么作為新上任的物理教師而言，則可以小見(jiàn)大，從點(diǎn)滴處增強(qiáng)自己的教學(xué)信心，在講臺(tái)上站得更穩(wěn).