中學物理靜電演示實驗研究
湛江師范學院物理科學與技術學院
摘 要： 分析了中學物理教學法靜電演示實驗所存在的困難, 建議從實驗的材料和趣味性來提高靜電演示實驗教學效果, 并介紹一些低成本高教育價值靜電實驗, 以期望對中學物理教學法演示實驗課程的開展有所幫助.
關鍵詞： 靜電實驗; 物理教學; 演示實驗;
1引言
中學物理靜電實驗一般包括2類:一是摩擦起電, 二是應用高壓靜電源 (主要是感應起電機) 所做的各種靜電感應實驗.同時靜電有2個特點:一是電壓很高, 可以達到10~10V, 使通常情況下的絕緣體失去絕緣性而變成導體.如用玻璃棒、橡膠棒分別與絲綢和毛皮摩擦, 可以產生10V電勢, 而感應起電機在適宜的溫度和相對濕度下, 可產生成4×10~6×10V電壓.二是實驗時物體起電所產生的電量少, 電量也只有約10C.電荷不斷地通過空氣中的水汽或靜電儀器的絕緣部分向外釋放而很快減少, 電壓高易漏電, 電量少經不起漏.靜電現象很弱或很不明顯.所以不可否認, 對于很多物理教師而言, 特別是物理專業師范大學生而言, 靜電實驗還是屬于不可捉摸, 難于把握的一類實驗, 特別是在相對濕度大的天氣, 更是難上加難.為此筆者查閱了大量有關靜電實驗的資料, 通過親自動手實驗和教學實踐, 發現靜電實驗其實并不是很難演示成功, 關鍵在于選擇合適的材料和實驗.而且只要選材合適, 靜電實驗還是很具有趣味性.本文利用身邊常見的物品, 如空心吸管、紙巾、氖泡、紙杯、大頭針、塑料瓶、易拉罐等這樣的小物品演示靜電實驗, 效果明顯, 而且趣味性很強.
2摩擦起電實驗
摩擦起電是大家熟知的現象.其原理是通過摩擦, 每個物體都有一些電子脫離原子的束縛, 跑到另一物體上去.但由于不同物體向對方轉移的電子數目往往不等, 就造成了一個物體失去電子, 另一個物體得到電子, 失去電子的物體帶正電, 得到電子的物體帶負電.因此, 所謂摩擦起電就是通過摩擦作用, 使電子從一個物體轉移到另一個物體的過程.一般物理書中演示摩擦起電的實驗是用絲綢摩擦后的玻璃棒, 或是用毛皮摩擦后橡膠棒去接觸驗電器, 若驗電器的指針張開, 就說明物體摩擦后帶電.但一般教科書上所介紹的用絲綢摩擦玻璃棒和用皮毛摩擦橡膠棒起電效果不佳, 原因不是這些材料摩擦時不能起電, 而是玻璃棒和橡膠棒不易保持住電荷.特別是空氣不夠干燥時, 這些通常視為絕緣體的材料, 在高壓之下, 漏電較快.最精彩的物理實驗在于能利用生活中最簡單的材料來達到教學效果的實驗演示.其實利用紙巾、空心吸管、氖泡、大頭針就可以很好的演示摩擦起電的實驗.
2.1吸管貼墻實驗
吸管貼墻實驗是利用紙巾輕輕地摩擦空心吸管, 然后往墻上一點, 吸管就穩穩地貼在墻上.因此可以利用吸管貼成各種形狀的圖案.原理很簡單, 因為墻上有很多微小的小顆粒, 類似于小碎紙, 將吸管緊緊的吸在墻上.說明用紙巾摩擦后的空心吸管帶電.
2.2氖泡發光實驗
驗電筆中的氖泡是充有氖氣的短型放電管, 一般氖泡的起輝電壓大約60 V.而在靜電實驗中, 各種材料如用玻璃棒、橡膠棒分別與絲綢和毛皮摩擦, 可產生上千伏電勢, 這些電壓足以使氖泡中的兩電極中任意一個電極出現明顯的橙色輝光.用紙巾輕輕地摩擦空心吸管幾次, 然后將氖泡1個電極沿著空心吸管的表面慢慢移動, 氖泡會斷斷續續地發出橙色閃光, 同時也發出噼啪放電聲.盡管氖泡發出的橙色輝光滯留時間不長, 但只要房間內的光線較暗, 就能看清氖泡內橙色的閃爍光, 如圖1所示.實驗表明, 空心吸管經紙巾擦后帶上了大量電荷.
2.3旋轉的吸管
旋轉的吸管實驗第一步, 在第1根空心吸管在中間插1根大頭針, 接著把將它套在第2根空心吸管上, 將其固定.然后用紙巾輕輕地摩擦第1根吸管, 接著摩擦第3根空心吸管, 將摩擦過的吸管靠近第1根空心吸管的一端, 該端吸管受到排斥, 第1根吸管跟著第3個吸管相反的方向發生旋轉;接著用摩擦過吸管的紙巾靠近第1根空心吸管, 該端吸管受到吸引作用, 吸管跟著紙巾的方向旋轉.根據塑料吸管的運動情況, 可以很清晰地演示電荷之間同性相斥異性相吸的現象, 效果良好, 如圖2所示.
圖2帶電吸管使得另一根吸管不斷旋轉
3感應起電實驗
感應起電現象是當一個帶電體靠近導體時, 由于電荷間相吸或相斥作用, 導體中的自由電荷便會產生趨向或遠離帶電體的運動, 使導體靠近帶電體的一端帶異種電荷, 遠處的一端帶同種電荷.在高中物理教材中, 如圖3所示演示靜電感應實驗.
圖3靜電感應實驗
圖3中C是帶正電的物體, A和B是1對用絕緣支柱支持的導體, 兩者緊密接觸, 它們下部分別貼有金屬箔 (2片) , 當A和B不帶電時金屬箔是閉合的, 一旦A或者B帶電, 由于有一部分電荷要分配到金屬箔片上, 兩金屬箔片在電荷間排斥力的作用下將要分開.該實驗是起初導體A和B均不帶電, 當把帶正電的物體C移近導體A時, 導體A和B上的箔片均張開, 說明導體A和B由于感應均帶電.該實驗可以很好地演示感應起電, 但是該實驗的成功率不高, 而且缺少趣味性.其實除了教材中靜電感應演示實驗外, 物理中教法演示實驗可以加入一些趣味性的實驗, 豐富內容的同時也增加靜電實驗的趣味性.利用空心吸管、易拉罐、空塑料瓶、紙杯、錫箔紙、水等常見物品也可以很好地演示感應起電實驗.
3.1滾動的易拉罐
如圖4所示, 將空易拉罐放在光滑的桌面上, 然后用紙巾輕輕地摩擦吸管, 接著讓吸管接近易拉罐, 慢慢移動吸管, 可以看到易拉罐跟著吸管的移動方向慢慢地滾動.該實驗原理是由于易拉罐靠近帶負電的吸管, 由于感應起電, 靠近吸管附近一側的易拉罐帶正電, 由于異性電荷相吸引, 所以易拉罐跟著吸管移動而滾動.該實驗現象可以很明顯地演示導體的感應起電現象.
3.2轉彎的水滴
如圖5所示, 在空的塑料瓶底端扎一小孔, 向塑料瓶中裝滿水.接著將它固定在高架臺上, 底端放一個盛水盆, 即有一股線狀水滴流入水盆中. 用紙巾摩擦多次吸管后, 用帶電的吸管靠近水流附近, 可以很明顯地看到水流向著吸管方向偏轉, 同時水流四處散開.因為當帶電吸管或者帶電的橡膠棒靠近水流時, 由于靜電感應, 使得線狀的水流感應帶上相反的電荷, 由于異性電荷相吸, 水滴就向著帶電吸管方向偏轉.同時由于水滴因為帶上同種電荷排斥向四周散開.該實驗現象明顯, 而且材料很容易獲取, 可以很明顯地演示靜電感應現象.
圖4易拉罐跟著帶電的吸管滾動
圖5線狀的水流靠近帶電的橡膠棒方向發生偏轉
3.3靜電鈴鐺
如圖6所示, 2個空的易拉罐, 分別在適當的位置刮掉表面鍍膜露出金屬部分, 然后讓2個易拉罐相隔2~4cm站立, 刮掉鍍膜的地方面對面. 然后用1根吸管橫著懸掛在易拉罐上, 下面懸掛著金屬環, 金屬環的高度剛好是易拉罐刮掉膜處. 然后把起電機上2根放電桿前端的金屬小球靠近1個易拉罐, 當安裝和調整好以后, 搖動起電機或者將帶電的PVC管靠近, 就會看到金屬環左右擺動撞擊易拉罐, 發出叮、叮、叮的鈴聲.該實驗原理是起電機起電后, 由于感應起電, 使2個易拉罐帶上異種電荷, 金屬環在2個易拉罐的中間, 處于不穩定平衡狀態, 很容易偏離平衡位置而擺向某個易拉罐.假設首先是擺向帶正電的易拉罐, 當金屬環與易拉罐碰撞時, 金屬環獲得正電荷, 而隨即被帶正電荷的易拉罐排斥, 且被帶負電的易拉罐吸引, 擺向帶負電的易拉罐.同理, 當金屬環與易拉罐碰撞時, 金屬環獲得負電荷, 而隨即被帶負電荷的易拉罐排斥, 且被帶正電的易拉罐吸引, 擺向帶正電的易拉罐, 這樣金屬環在2個易拉罐之間來回擺動, 撞擊易拉罐而有節奏地發出鈴聲.
圖6靜電鈴鐺
3.4靜電馬達
靜電馬達也是比較有趣的靜電感應實驗, 也叫富蘭克林電動機.常用的電動機都是由直流電和交流電供電, 通過電磁轉換, 磁場作用驅動轉子運動.靜電馬達可以把電能直接轉化成機械能. 靜電馬達利用高壓靜電來供電.根據靜電感應和高壓靜電的尖端放電能驅動紙杯轉動.取1塊絕緣泡沫板, 在它中心安裝1根圓珠筆筆芯.將剪好的條狀的錫箔紙8條, 均勻地貼在透明的一次性杯子上.將貼著錫箔紙的杯子倒扣在圓珠筆芯上使其能輕易地自由轉動.再將2條條狀的錫箔紙的一端剪成鋸齒狀, 分別對稱地放在紙杯兩側. 然后把起電機上2根放電桿前端的金屬小球靠近1個鋸齒狀的紙杯紙, 當安裝和調整好以后搖動起電機.這時可以看到貼著錫箔紙條的杯子飛快地轉動起來.靜電馬達的原理是因為高壓靜電使得靠近鋸齒狀的錫箔紙帶電, 另一側的鋸齒狀的錫箔紙由于感應帶上相反的電荷.兩側的錫箔紙帶上高壓電后, 鋸齒產生尖端放電現象, 此時, 空氣被大量電離, 其中, 與錫箔紙所帶電荷同種的電荷飛向紙杯錫箔紙上, 并只附在紙杯一側的錫箔紙上, 因為紙杯是絕緣材料, 這些電荷在絕緣體上不能流動.這樣, 紙杯受到來自兩側帶電錫箔紙的靜電斥力力矩的作用下開始旋轉.當紙杯旋轉180°后, 紙杯上錫箔紙的電荷的極性就會發生變化, 因此紙杯可以不停地旋轉.如圖7所示.
4結束語
從教學實踐過程中發現, 學生普遍歡迎這種由簡易的材料而又比較具有趣味性小實驗, 因為這些小的實驗除了在實驗室外, 平時也可以動手演示這些實驗, 形象生動地將靜電的原理展示給學生, 使得他們對靜電演示實驗有進一步認識. 利用生活中隨手可得的材料演示物理實驗, 同樣達到很好的教學效果, 這是物理中教法實驗所要教給學生的另一個重要的教學目標.實際上, 積極探尋由簡易材料所做的靜電實驗并以此指導實踐, 是做好物理中教法演示實驗的有效途徑.對我們從事其他物理中教法實驗的研究及其實驗教育同樣也會大有裨益.
文章來源于《物理實驗》 2014,01(34),15-18
