中学物理静电实验成败因素及对策

中学物理静电实验成败因素及对策

作者：谢光梅

来源：《文理导航·教育研究与实践》2017年第12期

【摘 要】物理学是一门实验科学，物理学的一切理论或假说，都是建立在实验基础上的。物理学在理论上作出的任何结论，都要经过实验的验证，以判断其正确的程度。而对于物理教学更是需要通过观察实验、演示实验，使学生形成概念。所以，在物理教学中，必须充分体现出实验的主要地位和重要作用。

【关键词】中学物理；静电实验；绝缘材料

在中学物理教材中，介绍电学部分的知识，首先就是通过静电实验开始的。因此静电实验成功以否是以后教学成败的关键，而静电实验却是教师们最感头痛的教学内容。不少教师认为静电实验特别难以捉摸，不易保证成功，只有天气干燥时才好做。其实，只要把握了静电实验成功的关键，还是可以做好静电实验的。

静电实验的特点：一是电压高、二是电量少，这可以用两个简单的实验来证明： 实验一：将家庭电路的火线用绝缘导线接到验电器的金属球上，把地线接到验电器的外壳上，便可见验电器指针箔片张开，但其张角不大，约在10°以内。再把一带静电的带电体去接触另一验电器的金属球，验电器指针箔片张角要大得多，有时甚至几乎张成直角。可见，此时指针箔片的电压高到几百伏特乃至几千伏特，这表明一般带静电导体的电压是相当高的。 实验二：用毛皮摩擦一下塑料衬板，使衬板带电后，把用绝缘丝线（长为0.2米）吊着的两个轻且薄的小纸片（质量为20毫克），放在带电的塑料衬板上，用手指触一下每张纸片后移开，两纸片由于静电感应就带上同种电荷，提起丝线两纸片便互相排斥而张开，这时纸片所受到的重力mg、电力F和悬线上的张力T互相平衡，它们有如下关系： =tgα即F=mgtgα=mg

若纸片很小，其所带电量可以用点电荷的库仑定律F=来进行估算：

测出纸片分开的距离d为0.04米，则估算出纸上的电量的库仑数为10-9数量级。我们知道一个手电筒小电珠上每秒钟流过的电量约为1/3库仑，这个数量是纸片带电量的一千万倍。可见，纸片所带的电量是非常微小的。

如果把这带电的纸片与验电器的金属球接触，验电器指针箔片的张角很大，这说明纸片带电量虽很少，但电压却很高。

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由于带静电的物体的电压很容易达到几百伏特甚至几万伏特，这就使得带电体很容易漏电，通常情况下的绝缘体如木头、玻璃等已很难起到绝缘作用。而带电量少又使得漏电过程极快，一漏就光，因此做好静电实验的关键是解决电荷的流失问题。

影响电荷流失的因素主要有绝缘材料的性能、环境的湿度情况、仪器的清洁程度以及实验者的操作习惯。下面分别讨论这些因素对实验成败的影响： 1.绝缘材料的性能

取传统实验器材玻璃棒、橡胶棒和有机玻璃棒、塑料棒进行绝缘性能对比检验，以找出合适静电实验的绝缘材料。

检验方法：手握待验材料一端，使另一端与带电的验电器金属球接触。若验电器指针箔片张角不动（或张角稍有减少，但移去材料后又恢复张角），这就是合适的绝缘材料。 检验结果表明，现代高分子材料良好的绝缘性能远胜于传统材料。一些材料绝缘性能差是由于材料本身的导电性引起的，材料的导电现象是在材料内部及表面层产生的，在静电实验中电荷从材料由人体传入大地而漏电，现代高分子材料绝缘性能极好，有效杜绝了这方面的漏电。故如今的摩擦起电实验常用有机玻璃棒代替玻璃棒，用塑料棒代替橡胶棒，实验效果良好，但这些材料若使用不当也难成功。 2.环境湿度的情况

长期以来多数教师认为湿度是影响静电实验成败的主要因素，所以在静电实验之前总是把实验仪器、器材等仔细烘烤，以保证实验成功，这样给实验增添了不少麻烦，特别在霉雨季节就是带上烘干箱也难保证实验的成功。那么，环境湿度是否直接影响着实验的成败呢？为此可做如下实验：

将摩擦棒、绸子、毛皮等实验器材经过清洁处理后，改变环境湿度进行实验，研究其成功率与环境湿度的关系。结果发现只要实验器材保持清洁，环境湿度增加95%以上成功率仍极高。甚至可在霉雨季节里将实验器材清洁处理后，浸泡在清水中一天一夜，取出擦干即进行实验，仍取得一次性成功。

由此可见，环境湿度并非影响静电实验成败的主要因素，而仪器的清洁程度或许更为重要？

3.仪器的清洁处理

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将清洁处理后的实验器材在相同湿度条件下（夏季干燥季节实验），分别浸入不同浓度的酸、碱、盐等溶液中进行污染，然后取出凉干进行实验，发现摩擦棒一经污染后，成功率立即大大降低。

分析原因，当材料受酸、碱、盐等电解质污染时，由于材料表面的污染层具有导电性，从而大大降低了绝缘性，在这种情况下，电荷是经过污染层由人体传入大地产生漏电的。又由于电解质的水溶液才具有导电性，因此在潮湿气候环境下用受酸、碱、盐等污染过的实验器材、仪器进行实验是不易取得成功的。而其对静电实验的影响正是通过污染层起作用的。 当然，器材、仪器进行清洁处理后，静电实验中漏电现象仍然存在，但这时漏电现象是电荷直接向周围潮湿空气中漏电的，其速度往往比较慢。另外，将传统实验器材玻璃棒、橡胶棒等经过清洁处理后，不用烘烤也能较好进行实验，虽然其效果远不如现代高分子材料。故可得出结论：环境湿度对静电实验影响不大，而仪器的清洁程度才是影响静电实验的主要因素。 4.实验者的操作习惯

以上实验和分析有力地证明了在材料选定之后，清洁程度是保证静电实验成功的主要因素。然而长期以来对静电实验器材的清洁处理却不被重视，用肮脏的实验器材进行实验当然很难取得成功，可见要保证实验成功，还有个不容忽视的因素：实验者的操作习惯。

通过平常的观察发现，静电实验中实验仪器的摆放，实验者手握材料的部位等等都能对实验效果造成影响，值得一提的是一些教师在课堂上满手粉笔灰就抓起实验器材做实验，其结果可想而知，所以实验前务必洗净双手。

综上所述，要保证静电实验的成功就必须保证实验器材、仪器的清洁，为此我们必须在实验前对所有实验器材和仪器进行清洁处理，只要认真做到清洁处理工作，解决了电荷的流失问题，便可保证即使在潮湿环境下也能顺利地进行静电实验。