静电飞花激发高中生物理探究实验的兴趣

孔志蕾

(南宫市南宫中学 河北 邢台 055750)

学生在学过高中物理必修(第三册)第九章静电场及其应用和第十章静电场中的能量这两章之后，知道自然界中有两种电荷，使物体带电的方式有摩擦起电、感应起电等.静电飞花装置可以作为拓展实验，通过引导学生探究静电飞花实验中起电盘和取电盘的电性及纸屑飞起来的原因，提升学生的探究能力.科学探究是学生学习科学知识、发展科学思维、形成科学态度的手段和途径.

1 静电飞花装置介绍

静电飞花装置的由来：早在90年代初，南京师范大学物理科学与技术学院的刘炳升教授就给学生做过“静电飞花”的趣味实验.最初是使用感应起电机使金属盘带电，带电后的金属盘会使撒在盘上的纸屑飞起来.后来，改用感应起电盘进行实验，实验过程中，先将塑料袋铺在桌面上，用织物摩擦塑料袋使塑料袋带电，然后再将撒有纸屑的金属盘放在塑料袋上.右手持绝缘柄，同时用左手手指按住金属盘的上表面，先移开按在金属盘上的手指，然后将金属盘提起，金属盘上的纸屑会向上或向四周飞散开，如图1所示.2019年，江苏沭阳中学的唐守平老师选用了更好的绝缘材料，改进了工艺，使实验效果更理想[1].

图1 静电飞花

静电飞花装置的组成：用聚四氟乙烯材料制作的带接地线的起电盘、带绝缘柄的金属取电盘、羊毛和纸花.

教师按以下步骤先做演示实验：

(1)将起电盘放在水平桌面上，使接地线另一端的金属片与地面接触；

(2)用羊毛摩擦起电盘，然后将羊毛快速移开；

(3)把取电盘放到起电盘上，注意使取电盘与起电盘上连有接地线的螺丝钉接触，并将纸花撒在取电盘上;

(4)抬起取电盘，欣赏漫天飞花，如图2所示.

图2 静电飞花改进版

本实验作为学生的拓展探究实验，在教师做演示实验时学生会对飞起来的纸屑感兴趣，进一步提出问题：为什么纸屑可以飞起来？接下来可以让学生带着这个疑问进行分组实验，学生实验过程中纸花可能无法飞起来，是由于操作中没有注意到取电盘需要与起电盘上的螺丝钉接触.那么，接地后的取电盘是否带电，带电的原因是什么，和起电盘带的是否是同种电荷？带着这一系列问题引导学生根据操作步骤进行探究实验.

2 引导学生进行探究实验

2.1 判断羊毛摩擦过的起电盘上所带电荷的电性

首先引导学生思考检验带电体上电荷种类的方法有哪些，然后分组检验.学生会想到用静电计检验、用发光二极管检验，还可以利用三极管制作的正负电荷检验器来检验.以下是实验过程.

2.1.1 用静电计检验起电盘上电荷的种类

首先用羊毛摩擦橡胶棒，并让橡胶棒与静电计上端的金属球接触.会发现静电计的指针只张开了一个很小的角度，这是由于橡胶棒是绝缘体，绝缘体所带的电荷是以束缚电荷的形式出现的，无法像导体上的电荷一样自由移动、以传导的方式实现电荷的转移[2].为了增大静电计的张角可以让橡胶棒在静电计的金属球上转动摩擦几下，此时静电计的指针所带电荷的电性与橡胶棒上的相同，规定毛皮摩擦过的橡胶棒带负电荷，那么静电计此时也是带负电的.接下来用验电球与羊毛摩擦过的起电盘接触，然后再靠近带负电的静电计，会发现指针张角几乎不变，如果使验电球在起电盘上摩擦几下再靠近静电计的金属球，会发现张角减小，难道说起电盘带的是正电荷？这个现象与经验不符，因为起电盘是用聚四氟乙烯材料制成的，用羊毛摩擦过的起电盘不是应该带负电吗？问题出在哪里？

带负电的橡胶棒与静电计的金属球接触时，静电计的金属球、金属杆及指针上的负电荷是通过放电的形式得到，摩擦带电的橡胶棒虽然电荷量少但是会在周围产生强电场[3]，金属球处在此强电场中会得到电子带负电.当验电球与起电盘的表面接触时带电的原理与橡胶棒使静电计带电的原理相同，为什么验电球会带正电？多次实验会发现：当带负电橡胶棒靠近静电计的金属球时会听到“呲呲”的放电声，但是验电球与带电的起电盘表面接触时却没有听到放电声.导体的尖端部分最容易放电，验电球与起电盘的表面接触，起电盘的表面是平的，是否会影响放电？可以让验电球与起电盘的边缘接触，然后再靠近带负电的静电计，发现指针张角增大了如图3所示，说明此时验电球带的是负电，起电盘带的也是负电.那么，为什么验电球与起电盘的表面摩擦后带的是正电呢？验电球为金属材质，金属与聚四氟乙烯摩擦后也会带电，此时金属球失去电子带正电，聚四氟乙烯得到电子带负电.

图3 用静电计检验

也可以将实验过程简化，不用验电球从起电盘上取电，直接将带电的起电盘靠近带负电的静电计，会发现张角增大，说明起电盘带负电.

2.1.2 用发光二极管检验起电盘上电荷的种类

根据二极管的单向导电性，用手指捏住二极管的负极，让正极与起电盘接触，如果二极管发光，说明起电盘上的电势较高，即起电盘带正电；如果二极管没有发光，可以将正负极对调，用手指捏住二极管的正极，让负极与起电盘接触，如果二极管发光说明起电盘上的电势较低，起电盘带负电.实验过程中，当用发光二极管的负极与起电盘接触时会发光，如图4所示，说明起电盘带负电.

图4 用发光二极管检验

2.1.3 用自制的正负电荷检验器来检验

正负电荷检验器由三极管、电容、两个发光二极管(红色和绿色)、金属丝、电源组成.利用三极管的开关功能控制电路的通断，由于三极管的放大作用，少量的电荷也可以被检测到.当金属丝的尖端靠近带电体时，如果带电体带正电，检验器上的红灯亮；如果带电体带负电，检验器上的绿灯亮.当用检验器靠近起电盘时，绿灯亮了，如图5所示，说明起电盘带负电.

图5 用自制检验器检验

2.2 金属取电盘与起电盘接触后带上的是哪种电荷及如何带电的

通过前面的探究过程可知，用羊毛摩擦过的起电盘带负电.接下来学生自己尝试把取电盘放在起电盘上，并把纸花撒在取电盘上，手握取电盘的绝缘柄把取电盘抬起来，会发现纸花有时候会飞起来，有时候却不能飞起来.此时可以再给学生演示一遍实验过程，让学生仔细观察操作步骤，分析纸花不能飞起来的原因.得出的结论是：当取电盘与起电盘上的接地螺丝钉接触时纸花才能飞起来，也就是说取电盘直接与起电盘接触后并不容易带电，说明使取电盘带电的方式不是接触起电.

接地螺丝钉的作用是什么？可引导学生回忆带电球使枕形导体带电的过程，不难想到，与接地螺丝钉相接触的取电盘类似于接地的枕形导体.此时取电盘处于带负电的起电盘产生的强电场中，取电盘上的电子在电场力的作用下通过导线转移到地面上，取电盘失去电子带正电.

为了验证取电盘上是否带正电，可用静电计进一步检验.首先用羊毛摩擦橡胶棒，并让橡胶棒与静电计上端的金属球接触，使静电计带上负电.接下来用验电球与取电盘的表面接触，然后再靠近静电计的金属球，会发现指针夹角几乎不变，在探究过程中产生了新的疑问：为什么验电球与取电盘接触却很难带电？此时可以引导学生回忆导体表面电荷分布的特点，在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度越大.当验电球与取电盘的表面接触时，由于取电盘表面是光滑的，电荷比较少，所以验电球很难带上电，根据取电盘上电荷分布的特点，用验电球与取电盘的边缘接触更容易带电，再将验电球靠近静电计的取电球，会发现静电计的指针夹角减小如图6所示，说明取电盘带正电，与猜想一致.

图6 检验取电盘上电荷的电性

2.3 为什么纸花需要撒在取电盘上才能飞起来

既然起电盘和取电盘(金属盘)都带电，为什么把纸花撒在取电盘上才能飞起来，若是撒在起电盘上会怎样呢？把带电的起电盘靠近纸花，会发现纸花会被吸引到起电盘上并不会弹开，如图7所示.带负电的起电盘在周围激发强电场，纸花在电场中发生极化，靠近起电盘的一侧出现正电荷，远离起电盘一侧出现负电荷，两种电荷量相等[4].但是起电盘激发的电场并不均匀，纸花靠近起电盘的一侧电场更强，受到的电场力大于远离起电盘的一侧，合力指向起电盘，所以纸花会被起电盘吸引.

图7 纸花被起电盘吸引

如果用带正电的取电盘靠近纸花，会发现纸花先被取电盘吸引，接触后又被弹开,如图8所示.纸花被取电盘吸引与被起电盘吸引的原因相同，但两者材料不同，起电盘为聚四氟乙烯材料，取电盘是金属盘.当纸花与取电盘接触时，在取电盘产生的强电场下纸花相当于导体，与取电盘接触后，纸花上的电子转移到取电盘上，纸花带正电，取电盘也带正电，同种电荷相互排斥，所以纸花会被弹开.

图8 取电盘先吸引纸花后弹开

3 探究过程总结

3.1 由电场力的性质分析纸花飞起来的原因

实验装置中的起电盘是由聚四氟乙烯材料制成的，利用羊毛摩擦起电盘，羊毛上的电子转移到了起电盘上，使起电盘带负电.将金属取电盘靠近起电盘，在取电盘的下表面会感应出正电荷，上表面感应出负电荷如图9所示.由于取电盘通过起电盘上的螺丝钉接地，在起电盘上负电荷产生的电场的作用下，取电盘上的电子会通过导线被导入地面.于是，取电盘下表面带正电，上表面不带电.

图9 起电盘(下)和取电盘(上)的带电情况

将取电盘抬起时，分布在取电盘下表面上的正电荷将分布在上下表面上，与取电盘上表面接触的纸花也带上了正电荷，由于同种电荷相斥，纸花在取电盘上正电荷产生电场的作用下将会脱离取电盘向上运动，于是出现了飞花的一幕如图10所示.

图10 取电盘上的电荷分布

3.2 从电场能的角度分析纸花动能的来源

3.3 本次探究实验在教学中的作用

本次探究实验按照静电飞花实验的操作步骤引导学生逐步进行探究，提出问题，解决问题.探究过程中涉及摩擦起电、感应起电、电容器、电场能的性质等知识，学习科学知识的同时发展科学思维，形成科学态度[5～7].