巧设实验助力学生对电势能的理解

薛昊

摘 要：电势、电势能是中学物理教学的难点之一，学生难以构建相关的物理概念，其中重要的原因之一就是缺少实验来辅助学生深入理解物理概念和相关规律.本文利用简单器材设计了一个小实验，让学生直接感受到电荷在电场中具有电势能，此实验突破了学习电势能的难点.

关键词：电势能;实验;难点

电场是高中物理选修3-1部分内容，由于电场看不见、摸不着，教学上虽然交代了电场与实物是物質存在的两种不同形式，但学生仍难以理解，对于区别于实物的具有空间可入性的电场还是难以接受.同时，电势能、电势是电场中重要的物理概念，也是高中物理教学的难点之一，关于电势能和电势的教学与讨论的研究工作很多，也致力于关于如何让学生理解电势能等相关概念，但是由于缺乏相关的物理实验支撑，所以对学生来说，很难建构这两个相关的物理概念.为了帮助学生形象理解，笔者从能量转化与守恒定律出发，设计了一个能够让学生直接感受到电荷在电场中具有电势能的实验.

一、实验装置

学生电源（12V），静电感应起电机（J23108275）、平行金属板一对（直径20cm）、多个泡沫小球（外裹金属箔），铁架台一个.实验用金属箔球的选择可以是直径为1-3cm的圆型球（也可以是直径为2.5cm，厚为1.5cm的圆柱体），金箔可选包装盒内层的铝箔，另外，我们还需要橡胶棒和毛皮.实验装置如图1和图2所示.

二、实验设计

实验中我们利用圆盘状平行板电容器作为提供匀强电场的装置，圆盘直径为20cm，板间距为5-8cm.极板通过与毛皮摩擦过的橡胶棒接触带电，极板上电荷均匀分布，可视为等势体.为了让实验效果显著，圆柱形金属箔球的直径达到2.5cm， 厚度为1.5cm.圆柱形金属箔球的带电方式可以有三种：与毛皮摩擦的橡胶棒接触带电;与带电圆盘极板接触带电;利用静电感应，将圆柱形金属箔球置于平行板之间偏离中间位置的区域，静电感应使箔球带电.

三、实验过程及现象

如图1所示，原来静止在下极板上的金属箔球在感应起电机工作后，上下跳动起来，有的小球能撞到上极板.也就是说，感应起电机的两个接线柱和两个平行极板相连接，将金属箔球放置于下极板上，摇动感应起电机手柄，由于受到电场力作用，金属箔球受力迅速上升，与上极板接触后，金属箔球带正电，从而金属箔球会在电场力作用下实现往复运动.

四、实验分析

下极板上的金箔球带有与下极板同种的电荷，因为相互排斥，我们观察到的实验现象为金属箔球向上运动，运动和高度的提升意味着箔球自身动能和重力势能的增加，根据能量转化与守恒定律，可以得出这样的结论：箔球所增加的机械能应该是由其它某种形式的能量转化而来的，而这种能量应该是由于带电箔球处于电场中所具有的能量.其与重力场中处于某一高度的物体具有重力势能类似，处于静电场中的带电体具有一定的势能，称为电势能.

五、实验效果

上述实验现象较明显，演示效果较好，但也会由于某些因素的影响而使实验受到干扰，下面我们分析该实验的可能影响因素及避免方法.首先考虑实验损耗，通常情况下，由于实验次数的增加，摩擦会使感应起电机的两个小铁刷逐渐磨损，导致带电量不足并影响到实验效果.其次考虑环境因素的影响，如果空气不够干燥，通常需要利用电热风将起电机及周围空间保持干燥，实验效果会更佳.最后关于实验现象的演示，可能会出现小球运动速度过快，学生观察不到位的情况.可人为设计降低小球运动速度的方法，从而延长实验时间，提升学生的观察效果.大致方法如下：用绝缘木夹夹着箔球，使箔球与毛皮摩擦过的橡胶棒相接触，使之呈负电性，之后将带电箔球放入平行板之间，松开箔球，箔球会在电场力作用下向上运动，由于带电方式改变，使箔球带电量减小，其所受到的电场力减小，小球速度变小，从而便于学生观察实验现象.

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