中学物理静电演示实验研究

周小燕

(湛江师范学院 物理科学与技术学院， 广东 湛江 524048)

1 引 言

中学物理静电实验一般包括2类：一是摩擦起电，二是应用高压静电源(主要是感应起电机)所做的各种静电感应实验. 同时静电有2个特点：一是电压很高，可以达到103～104V，使通常情况下的绝缘体失去绝缘性而变成导体. 如用玻璃棒、橡胶棒分别与丝绸和毛皮摩擦，可以产生103V电势，而感应起电机在适宜的温度和相对湿度下，可产生成4×104～6×104V电压. 二是实验时物体起电所产生的电量少，电量也只有约10-6C. 电荷不断地通过空气中的水汽或静电仪器的绝缘部分向外释放而很快减少，电压高易漏电， 电量少经不起漏. 静电现象很弱或很不明显[1]. 所以不可否认，对于很多物理教师而言，特别是物理专业师范大学生而言，静电实验还是属于不可捉摸, 难于把握的一类实验，特别是在相对湿度大的天气，更是难上加难. 为此笔者查阅了大量有关静电实验的资料，通过亲自动手实验和教学实践，发现静电实验其实并不是很难演示成功，关键在于选择合适的材料和实验. 而且只要选材合适，静电实验还是很具有趣味性. 本文利用身边常见的物品，如空心吸管、纸巾、氖泡、纸杯、大头针、塑料瓶、易拉罐等这样的小物品演示静电实验，效果明显，而且趣味性很强.

2 摩擦起电实验

摩擦起电是大家熟知的现象. 其原理是通过摩擦，每个物体都有一些电子脱离原子的束缚，跑到另一物体上去. 但由于不同物体向对方转移的电子数目往往不等，就造成了一个物体失去电子，另一个物体得到电子，失去电子的物体带正电，得到电子的物体带负电. 因此,所谓摩擦起电就是通过摩擦作用，使电子从一个物体转移到另一个物体的过程[2]. 一般物理书中演示摩擦起电的实验是用丝绸摩擦后的玻璃棒，或是用毛皮摩擦后橡胶棒去接触验电器，若验电器的指针张开，就说明物体摩擦后带电. 但一般教科书上所介绍的用丝绸摩擦玻璃棒和用皮毛摩擦橡胶棒起电效果不佳，原因不是这些材料摩擦时不能起电，而是玻璃棒和橡胶棒不易保持住电荷. 特别是空气不够干燥时，这些通常视为绝缘体的材料，在高压之下，漏电较快[3]. 最精彩的物理实验在于能利用生活中最简单的材料来达到教学效果的实验演示. 其实利用纸巾、空心吸管、氖泡、大头针就可以很好的演示摩擦起电的实验.

2.1 吸管贴墙实验

吸管贴墙实验是利用纸巾轻轻地摩擦空心吸管，然后往墙上一点，吸管就稳稳地贴在墙上. 因此可以利用吸管贴成各种形状的图案. 原理很简单，因为墙上有很多微小的小颗粒，类似于小碎纸，将吸管紧紧的吸在墙上. 说明用纸巾摩擦后的空心吸管带电.

2.2 氖泡发光实验

验电笔中的氖泡是充有氖气的短型放电管，一般氖泡的起辉电压大约60 V. 而在静电实验中，各种材料如用玻璃棒、橡胶棒分别与丝绸和毛皮摩擦，可产生上千伏电势，这些电压足以使氖泡中的两电极中任意一个电极出现明显的橙色辉光. 用纸巾轻轻地摩擦空心吸管几次，然后将氖泡1个电极沿着空心吸管的表面慢慢移动，氖泡会断断续续地发出橙色闪光，同时也发出噼啪放电声. 尽管氖泡发出的橙色辉光滞留时间不长，但只要房间内的光线较暗，就能看清氖泡内橙色的闪烁光，如图1所示. 实验表明，空心吸管经纸巾擦后带上了大量电荷.

图1 氖泡发光实验

2.3 旋转的吸管

旋转的吸管实验第一步，在第1根空心吸管在中间插1根大头针，接着把将它套在第2根空心吸管上，将其固定. 然后用纸巾轻轻地摩擦第1根吸管，接着摩擦第3根空心吸管，将摩擦过的吸管靠近第1根空心吸管的一端，该端吸管受到排斥，第1根吸管跟着第3个吸管相反的方向发生旋转；接着用摩擦过吸管的纸巾靠近第1根空心吸管，该端吸管受到吸引作用，吸管跟着纸巾的方向旋转. 根据塑料吸管的运动情况，可以很清晰地演示电荷之间同性相斥异性相吸的现象，效果良好，如图2所示.

图2 带电吸管使得另一根吸管不断旋转

3 感应起电实验

感应起电现象是当一个带电体靠近导体时，由于电荷间相吸或相斥作用，导体中的自由电荷便会产生趋向或远离带电体的运动，使导体靠近带电体的一端带异种电荷，远处的一端带同种电荷. 在高中物理教材中，如图3所示演示静电感应实验.

图3 静电感应实验

图3中C是带正电的物体，A和B是1对用绝缘支柱支持的导体，两者紧密接触，它们下部分别贴有金属箔(2片)，当A和B不带电时金属箔是闭合的，一旦A或者B带电， 由于有一部分电荷要分配到金属箔片上，两金属箔片在电荷间排斥力的作用下将要分开. 该实验是起初导体A 和B 均不带电，当把带正电的物体C 移近导体A时，导体A和B上的箔片均张开, 说明导体A和B由于感应均带电[2]. 该实验可以很好地演示感应起电，但是该实验的成功率不高,而且缺少趣味性. 其实除了教材中静电感应演示实验外，物理中教法演示实验可以加入一些趣味性的实验，丰富内容的同时也增加静电实验的趣味性. 利用空心吸管、易拉罐、空塑料瓶、纸杯、锡箔纸、水等常见物品也可以很好地演示感应起电实验.

3.1 滚动的易拉罐

如图4所示，将空易拉罐放在光滑的桌面上，然后用纸巾轻轻地摩擦吸管，接着让吸管接近易拉罐，慢慢移动吸管，可以看到易拉罐跟着吸管的移动方向慢慢地滚动. 该实验原理是由于易拉罐靠近带负电的吸管，由于感应起电，靠近吸管附近一侧的易拉罐带正电，由于异性电荷相吸引，所以易拉罐跟着吸管移动而滚动. 该实验现象可以很明显地演示导体的感应起电现象.

图4 易拉罐跟着带电的吸管滚动

3.2 转弯的水滴

如图5所示，在空的塑料瓶底端扎一小孔，向塑料瓶中装满水. 接着将它固定在高架台上，底端放一个盛水盆，即有一股线状水滴流入水盆中. 用纸巾摩擦多次吸管后，用带电的吸管靠近水流附近，可以很明显地看到水流向着吸管方向偏转，同时水流四处散开. 因为当带电吸管或者带电的橡胶棒靠近水流时，由于静电感应，使得线状的水流感应带上相反的电荷，由于异性电荷相吸，水滴就向着带电吸管方向偏转. 同时由于水滴因为带上同种电荷排斥向四周散开[4]. 该实验现象明显，而且材料很容易获取，可以很明显地演示静电感应现象.

图5 线状的水流靠近带电的橡胶棒方向发生偏转

3.3 静电铃铛

如图6所示，2个空的易拉罐，分别在适当的位置刮掉表面镀膜露出金属部分，然后让2个易拉罐相隔2～4 cm站立，刮掉镀膜的地方面对面. 然后用1根吸管横着悬挂在易拉罐上，下面悬挂着金属环，金属环的高度刚好是易拉罐刮掉膜处. 然后把起电机上2根放电杆前端的金属小球靠近1个易拉罐，当安装和调整好以后,摇动起电机或者将带电的PVC管靠近，就会看到金属环左右摆动撞击易拉罐，发出叮、叮、叮的铃声. 该实验原理是起电机起电后，由于感应起电，使2个易拉罐带上异种电荷，金属环在2个易拉罐的中间,处于不稳定平衡状态，很容易偏离平衡位置而摆向某个易拉罐. 假设首先是摆向带正电的易拉罐，当金属环与易拉罐碰撞时，金属环获得正电荷，而随即被带正电荷的易拉罐排斥，且被带负电的易拉罐吸引，摆向带负电的易拉罐. 同理，当金属环与易拉罐碰撞时，金属环获得负电荷，而随即被带负电荷的易拉罐排斥，且被带正电的易拉罐吸引，摆向带正电的易拉罐， 这样金属环在2个易拉罐之间来回摆动，撞击易拉罐而有节奏地发出铃声[5].

图6 静电铃铛

3.4 静电马达

静电马达也是比较有趣的静电感应实验，也叫富兰克林电动机. 常用的电动机都是由直流电和交流电供电，通过电磁转换，磁场作用驱动转子运动. 静电马达可以把电能直接转化成机械能. 静电马达利用高压静电来供电. 根据静电感应和高压静电的尖端放电能驱动纸杯转动. 取1块绝缘泡沫板， 在它中心安装1根圆珠笔笔芯. 将剪好的条状的锡箔纸8条，均匀地贴在透明的一次性杯子上. 将贴着锡箔纸的杯子倒扣在圆珠笔芯上使其能轻易地自由转动. 再将2条条状的锡箔纸的一端剪成锯齿状，分别对称地放在纸杯两侧. 然后把起电机上2根放电杆前端的金属小球靠近1个锯齿状的纸杯纸，当安装和调整好以后摇动起电机. 这时可以看到贴着锡箔纸条的杯子飞快地转动起来. 静电马达的原理是因为高压静电使得靠近锯齿状的锡箔纸带电，另一侧的锯齿状的锡箔纸由于感应带上相反的电荷. 两侧的锡箔纸带上高压电后，锯齿产生尖端放电现象，此时，空气被大量电离，其中，与锡箔纸所带电荷同种的电荷飞向纸杯锡箔纸上，并只附在纸杯一侧的锡箔纸上，因为纸杯是绝缘材料，这些电荷在绝缘体上不能流动. 这样，纸杯受到来自两侧带电锡箔纸的静电斥力力矩的作用下开始旋转. 当纸杯旋转180°后，纸杯上锡箔纸的电荷的极性就会发生变化，因此纸杯可以不停地旋转[5]. 如图7所示.

图7 静电马达

4 结束语

从教学实践过程中发现，学生普遍欢迎这种由简易的材料而又比较具有趣味性小实验， 因为这些小的实验除了在实验室外，平时也可以动手演示这些实验，形象生动地将静电的原理展示给学生,使得他们对静电演示实验有进一步认识. 利用生活中随手可得的材料演示物理实验，同样达到很好的教学效果，这是物理中教法实验所要教给学生的另一个重要的教学目标. 实际上，积极探寻由简易材料所做的静电实验并以此指导实践，是做好物理中教法演示实验的有效途径. 对我们从事其他物理中教法实验的研究及其实验教育同样也会大有裨益.

参考文献：

[1] 吴永熙，王明怡，刘军． 谈谈静电实验[J]. 大学物理，2002，21(2)：37-38.

[2] 赵凯华，张维善． 新概念高中物理读本[M]. 第2版． 北京：人民教育出版社，2008.

[3] 罗星凯． 中学物理疑难实验专题研究[M]. 桂林：广西师范大学出版社，1998.

[4] 刘贵兴，方鸿辉，倪闽景． 创新物理实验[M]. 上海：上海教育出版社，2007.

[5] 周鉴恒． 轻松学物理的第一本书[M]. 台北：如何出版社，2005.