平行板电容器演示实验的改进

张绍虎

目前高中物理课本都用平行板电容器和静电计组成的电路来探索影响平行板电容器的因素，这是上好“电容器电容”这堂课必不可少的一个演示实验。同于①是静电实验具有电压高、电量少的特点，仪器的漏电不易克服；②是由于静电计指针较小，偏转角度小的情况下，坐在教室后排的学生无法观察到明显现象。所以在教学过程中一般教师是放弃这个演示实验，而直接给出结论。笔者经过反复试验，基本上解决了上述仪器漏电和可视性两大难题，现介绍如下。

1仪器的漏电问题

1.1静电计的绝缘性能是决定实验成败的关键，首先我们要了解实验基本原理：平行板电容器电容量(几百一几千pF)，所带的电量远大于静电计电量，在实验过程中可近似认为平行板电容器带电量不变。静电计的电容很小(中间金属杆看作电容器一极，金属外壳看作另一极，电容量20pF左右)，带的电量也很小，它的漏电会严重影响实验的结果。平行板电容器、导线、静电计三者可以看作三只并联电容器。在实验中静电计的电容量看作基本不变，那么根据U=Q／c，静电计带电量Q决定了指针偏转角大小，同时反映了平行板电容器两极电势差，所以我们又把静电计称作电势差计。尽管现代科学技术十分发达，有许多测量电势差的先进仪器。但是其它电学测量仪器都不可能做到输入阻抗无穷大，即测量电势差仪器输入端只要接上平行板电容器两极板后，实际上就提供了一条电容器放电回路。实验往往以失败告终。这就是目前人们仍然对这种既古老又简陋的静电计情有独钟的原因。

通过上述分析，我们应当把解决漏电的重点放在静电计上面。先用洗洁精把静电计内外清洗一遍，再用清水洗去洗洁精，然后把它晒干。因为这些灰尘在空气潮湿时将成为肉眼看不见的细微漏电通道。静电计的金属杆与金属外壳依靠塑料塞绝缘隔开。由于材料老化也会成为漏电的主要因素。解决的做法，可用聚苯乙烯或聚乙烯塑料薄膜在塞子上包1 2层，再固定住，也能起到很好的绝缘效果。在课堂实验前打开玻璃面盖，用电吹风反复吹静电计内部5min，再把一包烘干成蓝色的干燥剂放入静电计内(这种称作硅胶的干燥剂内有氯化钴作指示剂，蓝色表示空气干燥，红色要重新烘干后才能继续使用)，经过这样处理后，即使在南方梅雨季节做该实验效果也很理想。

1.2平行板电容器的漏电问题也应重视，如果把平行板电容器带电量比喻一大桶水，那么静电计带电量仅仅是一杯水而已。静电计的漏电和平行板电容器漏电都不能忽视。我的做法是把铝制的平行板电容器清洗烘干处理后，在它的表面贴上一层塑料薄膜。这样即使两板靠近相碰也不会产生放电现象。

1.3导线要尽量短，导线的电容量1pF左有，导线越长导线电容量越大。两根导线不能相互接触，特别要防止连接静电计中间金属杆的导线与静电计外壳接触而产生放电现象。

1.4建议仪器使用完后，最好用塑料袋把平行板电容器和静电计分别封装后保存起来，免得下次实验又要重新清洗。

2可视性问题

2.1课堂演示实验的目的是为了让全班的学生都能看清实验现象。一般情况下静电计是竖立放在桌面上，坐在后排的学生很难看清楚。把静电计平放在透射式投影仪上放大后映示在墙壁上，成效显著。静电计后面的一块玻璃是磨砂玻璃不透光的，可以用一块透明玻璃取而代之，在上面用黑漆标上刻度，普通的静电计稍加改进便使实验可视性大为改观。

另外静电计也要挑选一下，我们把静电计水平放置，左右晃动一下。挑选指针转动灵敏、平衡性较好的来使用。实践证明静电计指针起始位置15度左右，平行板电容器电势差改变后指针偏转角度较大，当两板电势差从0.75kV改变到2kV时，指针偏转角度可从15度改变到45度，演示现象十分明显。

2.2实验室现存的平行板电容器都是放在水平导轨支架上。左右可移动的，但是要改变两板的相对面积效果不佳。我的做法是用一根摩擦起电实验用的硬塑料棒锯成两截，在两棒上各钻一个直径5mm的小孔，把它们套在一根5mm粗的钢丝上。然后找一个口字型的金属架子，把套有塑料棒的粗钢丝固定在左右直杆上。再把两块铝极板分别装配在塑料棒上，如塑料棒太粗，可以用砂轮打磨至能插入铝极板固定孔为止。由于平行板电容器的位置抬高了，学生看得更清楚。更重要的是我们在改变两极板相对面积s上方便多了。只要双手分别握住两塑料棒前后错开一下就行了，相对面积变化范围从0～S。要改变板间距d，可以握住两塑料棒左右移动也很方便。要改变电容器的介电常数s，可在悬挂的两极板间插入1—2块有机玻璃板(可借用做油膜法实验用的有机玻璃板)。这里提醒大家注意的是如果插入有机玻璃板时不慎介质与带正电的铝极板发生摩擦。会使实验得到相反的结论。不变情况下指针偏角应该变小，现在显示结果指针偏角口变大了，令人困惑不解。其实很好解释，在人教版的全日制普通高级中学教师教学用书中P105有一张“材料带电序列表”，我们可以查到金属铝排在有机玻璃前，也就是说摩擦后铝板的正电荷量要增加，所以在两极板间插入介质时，不要与极板发生摩擦。

2.3为了使实验现象明显，平行板电容器两极板可用起电机让它带上足够的正、负电荷。如果指针偏角太大的话，可以用手交替多次握一下两根导线塑料外皮让它慢慢放电，使静电针指针指到合适的位置。