浅析高中物理验电器和静电计的差异以及使用

丁军顺

【摘要】实验是高中物理教学中非常重要的内容，其理论的正确与否都要靠实验来验证。静电部分的验电器是一种检验物体是否带电以及粗略估计带电量大小的仪器;静电计又叫电势差计，可以用来检验物体所带电荷的种类并且测量电量，由于验电器和静电计在高中物理静电部分使用较为广泛，二者虽结构相似，实则有较大差异。验电器是利用张角大小来判断带电体带电量的多少;而静电计是利用指针张角大小来判断平行板电容器所带电压的大小。高中学生学习物理静电部分时在理解上存在困难，所以很有必要对验电器和静电计的差异以及在电路中的使用进行探讨，而本文将会对高中物理验电器和静电计的差异及使用作一番阐述说明。

【关键词】验电器  静电计  工作原理

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）45-0078-02

物理学是一门以实验为基础的理论学科，其理论的正确与否都要靠实验来验证。理论指导实验，实验反过来验证和支撑理论。当理论和实验结果高度统一时才显示出理论知识的正确性，尤其是高中物理更是如此。所以，我们在学习物理实验课时更应该引起重视。验电器和静电计在高中物理必修3-1中静电部分经常使用。由于两者在构造上的相似但又有差异，使得同学们在使用中和理解上形成困难，甚至部分老师在理解上也会有误。这便对静电部分有关验电器和静电计实验的顺利进行形成了阻碍。如要改变学生的学习困境，很有必要帮助学生充分理解这两者之间的关系。下面，笔者将结合自身从事多年高中物理教学实践经验和体会，对高中物理验电器和静电计的差异及使用作以下几方面的浅析：

一、验电器与静电计差异

当物体靠近或接触验电器金属球时，若验电器箔片张开，则可知物体带电;而静电计是利用静电的方法测量电势差的仪器。其测量的功能不同，主要为：

1.构造上的差异

如上图，验电器和静电计在外观上相似，都是由金属球、金属杆和金属外壳组成。所不同的是验电器的下端为两片金属箔片，验电器用金属圆筒做外壳，用绝缘材料将金属杆与金属外壳隔开以进行很好的绝缘。验电器前后两面用玻璃做外壳既可以防止因空气中气流对箔片的影响，同时又可以使实验者方便观察。而静电计下端由水平的金属横轴将金属杆和金属指针固定在一起，在竖直平面内能绕水平横轴灵活自由转动。静电计里面是标有刻度的毛玻璃，当指针转动时可以显示出其刻度。工作时静电计金属球接平行板电容器的正极板，金属外壳接平行板电容器的负极板并且接地。底端的三角底座能使之稳定的放置在实验桌上。

2.工作原理与用途上的差异

验电器的工作原理是当带电体与金属球靠近时，金属球感应出异种电荷，金属箔片感应出与带电体相同的同种电荷互相排斥。当带电体与验电器金属球接触时，由于带电体上的电荷转移到了验电器箔片上，金属箔片带了同种电荷，它们互相排斥而张开。当带电体所带电量越多，则箔片上静电斥力越大，张角也就越大。而静电计使用时与电路中的平行板电容器并联。将静电计金属球与平行板电容器正极板连接，金属外壳与平行板电容器的负极板连接并且接地。此时，静电计相当于一个小电容器，其电容由制成静电计的内部结构以及金属杆和指针的长度等因素决定。一个成型的静电计其电容为定值。静电计上金属杆与外壳间的电压等于平行板电容器两端电压。当平行板电容器两极板间电压增大时，由公式q=cu可知，静电计指针所带电荷量增大，指针与金属杆间库伦斥力增大，指针发生偏转;同时由于静电计金属杆与金属外壳间存在电场，金属外壳感应出了负电荷。电压越高，电场越强，金属指针偏角越大。通常情况是由这两种原因共同的作用效果。

二、验电器与静电计的使用方法

对于验电器而言，首先应检查验电器的完好性。在确认验电器完好后进行检验电荷。由于验电器的使用方法较为简单，本文不再赘述。现就静电计的使用方法作以交流。静电计通常与平行板电容器并联后接在同一电路中使用，分为电容器与电源连接和断开两种情况进行分析。

例1.（与电源相连）如右图，一平行板电容器始终与电压恒定的电源连接。平行板电容器的正极板与静电计金属球用导线连接，负极板与静电计外壳均接地。当把金属板错开移动一点，则：

1.平行板电容器所带电荷量将（     ）

2.静电计指针偏角将（     ）

解析：平行板电容器电容的表达式为C，其中k为常量，为介电常量，与金属板间的介质有关。当金属板错开一点，使得两极板正对面积减小，电容C减小。由于平行板电容器始终与电源连接，故电压U不变，由Q=CU可知，平行板电容器一个极板所带电荷量减小。静电计相当于一个小电容器，由于c=q/U关系，c和U均不变，故静电计所带电荷量q不变，其指针偏角不变。简单关系：U不变，静电计指针夹角不变。

答：电场强度E不变;q在P点的电势能Ep将不变;静电计指针偏角θ减小。

由于静电计实质上也是一个小电容器，由q=cu可知，静电计与平行板电容器并联，U=u变大，c不变，故q变大，静电计指针电场力变大，张角变大。简言之，静电计指针张角与平行板电容器两板间电压有关。

由于在高中物理静电部分经常使用验电器和静电计进行判断，所以说这两种仪器的使用是学生必须要具备的技能。尤其是在新课程改革的今天，物理实验尤为重要，我们必须要重视物理实验在物理教学中的基础性作用。尽可能的引导学生多做实验，多启发，多思考，尤其是課本中的探究性物理实验。探究性实验是学生自发的通过做实验对物理知识进行深入地探讨和研究，这对拓展学生的思维和加深对知识的理解起到很好的作用。教师要求学生能辨识实验仪器，掌握实验技能和实验要领。这将对学生以后学习物理知识有着十分重要的意义和积极的影响。虽然两者结构相似，但实则有较大的差异;尤其是利用静电计指针张角大小来判断平行板电容器电压的大小，更应该引起各位物理老师和学生的高度重视。本文就此已经给出了较为粗浅的讲解，希望对大家有一定的帮助。

总而言之，教师和学生要重视物理实验内容，多做实验多思考问题。尽可能了解实验仪器的用途和学会正确操作。需要老师长期在物理教学实践中不断总结经验和学生在学习过程中不断地积累知识。基于此，作为一名新时代下的高中物理教师，要重视实验教学和引导学生做好每一次物理实验和课本中的探究性实验。帮助学生清晰对相似实验仪器的认识和辨别，使学生能够有正确选择仪器进行实验的能力。培养学生爱做物理实验和善于总结规律的优良品质，达到提升学生物理学习水平，促进学生全方面进步与发展的终极目的。

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