书城科普读物动手做实验丛书--电学实验改进设计实践
33496000000006

第6章 静电实验的操作与改进设计(3)

在图1中,a是打气囊,b是为胶管,c为玻璃管,d为金属管套,直径约为0.7cm,放在d下方的E是有绝缘柄F的金属“球拍”,球拍直径约20cm。d、E与高压电源一端相连。电源可用感应起电机或范得格拉夫起电机,实验所用肥皂水用普通洗衣粉溶液即可。

实验时,首先用毛笔蘸适量肥皂水抹在d管的管口(注意不要有多余的液滴),然后用打气囊缓慢均匀打气,则在管口将出现一个逐渐膨胀的肥皂泡,当肥皂泡上出现五彩缤纷的色彩时,表明肥皂泡已经很薄,这时摇动起电机,使金属球拍E和肥皂泡同时带电,且用气囊给肥皂泡突然充气,气流冲击带电肥皂泡,使之脱离管口,则形成一个不下落的带电的自由的肥皂泡——一个大而轻的带电体。肥皂泡受重力和浮力而下落。当肥皂泡逐渐接近金属球拍E时,因带同号电荷而受排斥,在一定位置上,肥皂泡受重力、浮力和静电斥力而平衡。这时,手拿球拍就可把肥皂泡托起,使之在空中漫延,肥皂泡将随球拍的升降而浮沉。在空间存留的时间可长达一二分钟。

静电偏转实验示波管中电子的偏转是借助荧光屏显示路径的,但看不到电子的轨迹。我们稍微改变上面的装置,即可观察带电体在电场中的偏转。

在上面实验中管口D和球拍E是接在同一电极上,因而可表演排斥现象。在本实验中,D和E分别接在两个电极上。实验时,先吹好口径4、5cm的肥皂泡后,摇动起电机使D、E带异号电荷,再用打气囊突然充气,使肥皂泡脱离管口,则可见一个带电的大肥皂泡落下并沿曲线趋向带异号电的球拍。从而显示一个自由落下的带电体受水平方向静电力而偏转的运动。

效果极佳的静电除尘实验

器材

四川纳溪中学袁修业老师的设计如附图所示:(1)是广口瓶;(2)是带圆孔的橡胶活塞(可在化学实验室中找);(3)是两根直径较大(如5mm)的铜导线A、B,从活塞圆孔中插入并固定紧,不要松动,去掉导线两端的绝缘胶皮;(4)是两块面积稍大的金属板(可用物理实验室中的接线插片),分别焊接在两根铜导线上。两块金属板面对面互相平行,相距约1-3cm。

步骤

(1)点燃一支香烟,猛吸几口,打开活塞,把烟雾喷到瓶中,然后立即盖上活塞。这时可见瓶中充满了浓浓的白烟。

(2)将A、B两端分别用导线与感应起电机(或感应圈)的正负极相接,然后随即启动起电机(或接通感应圈),即可看到瓶中原有的白烟立刻消失得无影无踪。

原理

起电机启动(或接通感应圈)后,金属板间的电压高达几万伏,使白烟被电离,正离子跑到负极上,负离子跑到正极上,白烟就消失了。

优点

本文所述的方法具有取材容易,简单易行,操作方便,现象直观、生动的优点。通过这个演示实验,使学生对静电的应用产生了感性认识,加深了对课本知识的理解,提高了学生的学习兴趣,使课堂气氛变得更加活跃。

高灵敏验电器

传统的演示起电实验,有不足之处,需要改进。辽宁省里山县大虎山镇初中何长江、黄静娟老师介绍做法是:利用八个廉价易取的无线电元件,制成装置,再配合演示电表来演示本实验。它具有以下特点:①能检测出物体所带极弱电荷。两个不同物体只要轻轻摩擦,便能使电表指针有较大偏转角度。②能检测出物体所带电荷性质。根据表针偏转方向,来确定电荷种类。③能检测出相互摩擦过的两个不同物体,分别带有不同性质电荷。以上几点都是用传统验电器所做不到的。另外,利用指针显示,增大了可见度,提高了教学效果。

原理:压控元件3DJ7与电阻、二极管组成电桥,W用来调电桥平衡,使A、B两点电位相等,即UA=UB=3V。使用时将电流表接于A、B两点,调节W使指针指零。当天线M接触带正电物体时,3DJ7漏源极间电阻减小,使A点电位升高,G表指针正偏,表示物体带正电荷,反之为负电荷。本装置只要安装无误,无需调整,便可使用。

自制摩擦起电瓶

在阴雨天或湿度较大的环境中,静电实验往往做不成功。用自制摩擦起电瓶,则可以在湿度较大的环境中成功地演示静电实验。

山东郓城第一中学于保全老师设计的摩擦起电瓶的构造。在一个聚乙烯塑料瓶内注入水银,瓶口用橡皮塞塞紧并且密封,瓶的体图2积最好大一些(一升左右)倒入500g左右水银。

当摇晃聚乙烯瓶时,瓶内水银和瓶壁发生摩擦而起电。水银易失去电子带正电。聚乙烯瓶得电子带负电。停止摇晃,水银稳定下来,在水银与瓶内壁接触处正负电荷中和,但瓶的上部却留下负电荷,而水银则带有等量的正电荷。

使用摩擦起电瓶可以做的静电感应演示以及证明电荷守恒等实验。

为了提高起电效果,在装入水银前要认真对聚乙烯瓶进行清洗和干燥。首先用清水洗刷,后用无水酒精脱水,待瓶内彻底干燥后,再灌入水银,最后熔瓶密封好。

根据起电瓶的起电现象还可以用来说明油罐车的起电原理。

库仑力定性研究实验的改进

课本上库仑力定性研究实验有如下的缺陷:(1)带电体所带电荷不易保持,实验操作困难;(2)物体所带电荷多少不能直观显示。重庆市綦江县松藻煤矿子弟中学董洪琼、郎军老师作了如下改进:

实验装置

实验方法

物体甲和乙是用锡箔纸包上轻质泡沫做成的两个完全相同小球,用柔软的细导线与感应起电机相连。实验时先将甲、乙两球悬挂在绝缘尺上A、B两点,转动起电机手柄,甲、乙两球和固定于验电器上的金属球丙带上同种电荷,甲、乙被丙排斥而偏离竖直方向的夹角相同;将甲改悬于绝缘尺上C点重复实验,对比观察可得出:距离一定时,电荷间的作用力随距离的增大而减小;保持小球悬点位置不变,改变转动起电机的转速,验电器指针的偏角随之变化,对比观察电器指针偏角与小球偏离竖直方向角度的关系可以得出:距离一定时,电荷间的作用力随着电量的增大而增大。

“库仑定律”定性演示仪的制作与演示

仪器装置

西南师范大学物理系吕宗友老师的设计。

制作方法:

(1)用250mm×200mm的木板作为底板,在木板的边处分别固结φ3mm,高150mm的铁丝,用以安装带刻度尺的屏,屏长250mm,刻度尺的最小刻度左为5mm,右为0.5度。

(2)在刻度尺的背面与零位置相对应处将φ3mm的铁丝固结在底板上,并在距底板面500mm处弯成直角,水平部分长200mm左右,在水平部分上挂有两根φ0.1mm的钓鱼线,其下端拴结贴有平整的香烟锡箔纸的φ75mm圆形吹塑纸板。图1中的B和C同样是贴有平整的香烟锡箔纸的φ75mm真的圆形吹塑纸板。塑料泡沫条的制作。

演示电荷间相互作用力与距离的关系调整A板,使A板锡箔乎面对准零刻线(即A板锡箔平面与屏零刻线在一个乎面内)后,将摩擦带电的胶木棒与A板锡箔面靠近,用静电感应的方法使A板锡箔面带上足够多的电荷,用同样的方法使B板锡箔面也带上尽量多的电荷。手持玻璃瓶将B板的锡箔面正对A板的锡箔面,同时B板的锡箔面还要与零刻线在一个平面内,放到底板上。此时A板受力与竖直方向偏转一个角度a,然后向左平行移动玻璃瓶,先后使B板的锡箔面与20mm、40mm刻线在一个面内正对A板,此时A板与竖直方向的偏角a减小。

演示电荷间的相互作用力与电量的关系用上述方法使A、B带电后,同样手持玻璃瓶将B板的锡箔面正对A板的锡箔面,同时B板的锡箔面与零刻线还要在一个平面内后放到底板上,此时A板与竖直方向的偏角为a。手持借电器C板塑料条末端,使C板锡箔面先后分别与刀板、A板锡箔面接触(等分A、B板电荷,每次接触前C板不带电荷)后,可依次看到A与竖直方向的偏角a减小。实验说明A、B间的相互作用力随电量的减少而减小。

描绘电场中等势线实验方法的改进

高中物理第二册的学生分组实验“电场中等势线的描绘”,河北承德师专物理系郭建中老师介绍可用如下方法:

1图钉2湿纸3塑料布4复写纸5白纸(1)在桌面上自而下上依次铺上白纸、复写纸、薄塑料布,再把一张吸水性较强的纸(书法所用宣纸为最好)用水湿润透铺在塑料布上,然后把两个图钉按在湿纸上作为两个电极,图钉间要留适当距离,把两个图钉接上15V左右直流电压。

(2)从灵敏电流表的两个接线柱上引出两个探针,针尖不要太尖(可用万用表的表笔)。先将一个探针固定在两极的中点(A),另一探针在湿纸上轻轻移动寻找A点的等势点(电流表读数为零),找到后将探针用力一按,在复写纸下面的白纸上就可描出一等势点。连续不断地找下去就描出一系列等势点,把这些等势点连结即为等势线。再将探针分别固定在两极间的不同各点,类似以上方法即可描绘出若干条等势线。

此种方法取材容易,操作简便,效果良好,很适合在中学作为学生分组实验。

研究静电力的实验装置

研究真空中两点电荷之间的相互作用力跟它们间距离和电量的关系,高中课本介绍库仑是用扭秤来做此实验的。这样的实验在中学物理教学中是难于做到的。

南京大广镇中学陈佐鉴老师介绍的研究静电力的实验装置是利用废旧设备改制而成的。它结构简单,一般中学物理实验室都可以自己动手制作。实际使用表明,它原理易懂,直观性好,而且也容易获得比较理想的实验结果。从而使学生对库仑定律有较为直观的认识和深刻的理解。

仪器制作

(1)外壳:用厚度为10mm的木板制成的木框,在其底部四角各装一个6mm长40mm的螺丝。正面装有玻璃。

(2)刻度盘;在长500mm,宽350mm的半透明白纸中部画一竖直线OO′。以O为圆心画出的若干刻度线,每根刻度线长为100mm,上端距圆心为300mm。刻度盘最小刻度为1°,满刻度为15°。然后将刻度盘贴在木框正面的玻璃上,使OO′沿竖直方向,圆心O和偏转箔片A的悬挂点M、N在同一直线上,并使直线OMN和刻度盘垂直。

(3)箔片:用005μF纸介腊质电容器的铝箔,剪成长50mm,宽24mm三片相同的箔片A、B、C。

(4)偏转箔片A:在长为800mm涤纶单丝(可以从纯涤纶衣料中抽取)的中部,将箔片A挂上,使箔片两边大小相等。然后合拢箔片使其平整,成为片状。再将涤纶单丝两端固定在木框上部M,N点上,使箔片距MN约350mm,并注意保持箔片A水平。

(5)固定箔片B:在小木块上竖直固定5mm长150mm的有机玻璃棒两根。在有机玻璃棒的上端用涤纶线绕相距约6mm的两根平行线,两根线的绕法见图3。再按图2的方法将箔片B固定(两根平行线都要夹在箔片中)。然后将固定箔片放入木框内,使箔片B正对着箔片A,并高于A约2mm。

(6)箔片C的安装:用5mm,长200mm的有机玻璃棒和涤纶线按图4制成。

实验演示

实验装置的调整:将实验装置正面对着观察者,在其背面25m处放一平行光源(可用科普幻灯机光源),使光源和箔片在同一水平面上。让一束平行光沿着OMN方向射向装置,则在装置正面刻度盘上可清晰的显示出箔片A,B的阴影。调整装置底部螺丝,使箔片A的阴影在OO′线上。

用起电机给箔片A、B带同种电荷,设带电量分别为QA、QB。在静电斥力的作用下箔片A将向右偏转。平衡时设悬线和竖直方向成α角,两箔片间的距离为r。我们得到重力和静电力有如下关系式。

F=mgtga。

【实验一】研究静电力与距离之间的关系。

保持两箔片A、B电量不变,当改变它们之间的距离r时,静电斥力F也随之改变,箔片A平衡时和竖直方向的角度α也不相同。从箔片A的阴影在刻度盘上的位置可以直接读出它的偏角α。而箔片A、B间的距离,是用直尺量出它们在刻度盘上阴影间的距离间接测量到的。表一列出实验中的一组数据。图6作出F和1/r2的图像。从图6中都可以看出静电力的大小和距离的平方成反比。即F∞1r2。

【实验二】研究静电力的大小和两带电体电量乘积的关系。

移动固定箔片B的位置,使箔片A平衡时A、B间的距离为r(测量r的方法同实验一)。读出箔片A的偏角。然后改变箔片A所带的电量。这样箔片A、B间的静电力减小了,再移动箔片B的位置,使箔片A在新的平衡位置和B的距离仍为r。读出这时箔片A的偏角。再改变箔片B所带的电量,重复上述步骤。图7作出F和QAQB的图像。从图7中都可以看出静电力的大小和两箔片所带电量的乘积成正比。

改变箔片所带的电量是这样实现的。由于箔片A,B,C的大小和形状相同,当用不带电的箔片C和箔片A相碰时,它们所带的电量一定相等,并且都是箔片A原有电量的一半。使C失去电荷后,用同样的方法也可以改变箔片B的电量。并可继续使它们的电量减小为原来的1/4、1/8。

注意事项:

(1)箔片A、B要尽可能的平整,这样投影时,它们在刻度盘上的面积最小,以利于获得精确的读数。

(2)由于箔片的质量很小,较小的气流都会引起箔片的摆动。所以必须尽量减小空气流动,免得测量不准确。

(3)装置在使用前要进行烘干处理(可用红外灯照射)。绝缘不好或空气湿度过大都会使实验结果的误差增大。

静电计模型

静电计是在验电器的基础上制成的,用来测量导体间的电势差的仪器。高中物理(选修)课本在“电容”这一节中就是用静电计来测量平行板电容器两平行板之间的电势差,这是一个很重要的演示实验。以这一实验为基础的许多习题被编制出来。但对静电计这个仪器用什么模型来处理在师生中还有许多疑问和争论,浙江省上虞中学梁旭老师对此进行讨论。

[例1]将平行板电容器与静电计连接,充电后撤去电源,静电计指针张开某一角度θ,若将电容器两极板间距离增大,则:

(A)电容器电容减小,带电量减小,θ变小。

(B)电容器电容减小,电势差增大,θ变大。

(C)电容器电容增大,电势差减小,θ变小。

正如在一些习题中电流表、电压表可以看成理想的一样,本题中的静电计也可以看做是一理想的检测仪器。仪器的接入对原系统没有影响。对平行板电容器的讨论中可以认为θ不变,C变小,U变大,所以静电计张角变大,正确答案为(B),把静电计看成理想的检测仪器是目前中学教学中普遍流行的观点。