以小见大——静电感应实验再探

杨雪怡 陈恩旋

（广西师范大学科学教育研究所 广西 桂林 541004）

作为人教版高中《物理·选修3-1》教材中第一章静电场第1节就出现的实验——静电感应实验，它的重要性可见一斑.一个成功的静电感应实验至少能为学生表明两个实验现象：（1）感应起电.导体在静电场作用下，导体上的自由电子受电场力驱动而发生移动，产生的电荷再分布现象；（2）近异远同.导体在静电场作用下达到静电平衡时，其上感应电荷分布的特点是：导体靠近原带电体一端的感应电荷为异种电荷，而导体远离原带电体一端的感应电荷为同种电荷，同时，近端、远端所带的感应电荷量是等量的.做好、做成静电感应的实验，可以使学生对电荷守恒定律有更为深刻的了解.然而，静电本身具有电荷量少、电压高等特点，不易“捕捉”.在教师实验中，静电容易击穿空气，产生空气电离现象，导致静电感应实验现象易从感应起电变为电荷转移，导致实验不成功；还存在对实验仪器事前检查、实验中操作不当而出现静电“跑掉”、实验现象不明显等状况，导致实验失败.

1 实验方式

1.1 实验改进背景

作为未来的新手教师，在学习罗星凯教授《中学物理疑难实验专题》一书中，笔者小组对高中物理涉及静电的实验部分进行了研究和学习［1］.关于静电感应这一实验，张连之老师在课本基础上做出了改进，其中提到小金属球曲率大，会因产生尖端放电现象而导致实验失败，所以采用连接大金属球方式降低曲率；同时，采用静电计代替普通金属箔片作为展示装置，使得实验现象更明显［2］.

1.2 实验原有问题

还原以上实验操作中我们发现，原装置下的实验并没有很理想的成功实现.检查后发现，由于在原装置连接韦氏起电机和金属大球C中存在两个问题，其一，金属大球上的电荷量需要足够大的情况下才能让静电计感应起电.由于静电本身特性使它“捉摸不定”，极容易放电，产生电离现象，不仅在用导线连接韦氏起电机和大球的这一步骤时容易漏电，而且静电从韦氏起电机产出通过导线导至金属大球上后，很难再使静电计上的金属球感应起电.其二，则是金属球过大，用原装置除了会使静电计上的金属球受到感应起电外，还会使静电计的金属外壳也受到感应起电的影响.

1.3 实验改进方式

在此基础上，我们采取图1装置连接方式，同时更改实验方法.

首先，用绝缘胶带以缠绕的方式将绝缘架台与金属大球C连接，使得金属球C与静电计A的金属球接触，再用装有绝缘底座的金属杆D将A和B两静电计连接，方便移动.这样，不用韦氏起电机也能完成这个实验，简化了实验流程；同时，也避免了带电的金属大球对装置的其他部分产生影响，导致最终实验现象不明显.

由此，进行实验装置的改进后，实验操作就变为直接采用摩擦起电的方式，用丝绸摩擦有机玻璃棒后感应金属大球C，使得静电计A和B感应起电.此时实验现象为：一开始，静电计A，B指针张开.此时快速移开金属连接杆D与有机玻璃棒，发现两静电计指针稳定张开，张角基本相同，如图2所示.再将金属连接杆重新连接静电计A和B，发现指针闭合，如图3所示，实验效果良好.

图2 实验过程，指针张角基本相同

图3 实验过程，指针闭合

2 注意事项

对于静电实验，一处小小误差就可能导致实验现象不成功.所以对装置的检查必不可少.尤其是处于湿润的南方，笔者小组做实验时正值“回南天”，空气湿度相当大，但做好实验前准备及装置检查后，成功率也非常高.实验前，首先需要检查实验所用静电计的绝缘塞是否完好，如存在壳、杆连接处不绝缘导致静电计漏电，可采取吹风机吹融石蜡填充绝缘塞周围，保证壳、杆之间绝缘.然后再用酒精清理干净静电计与金属大球、金属杆、有机玻璃棒等表面；其次，在实际操作过程中，如需采用绝缘材料，如制作金属球C的支架、金属杆D的支架等，则先用静电计检查材料在静电下的绝缘性，避免因材料问题导致实验失败；最后，实验前若室内潮湿则可开窗通风，如担心手心出汗，可以提前烘干丝绸，并放几块备用，在摩擦起电时注意采取用力按压摩擦的方式.这样基本就可以比较顺利地完成“难以捉摸”的静电实验.

3 改进展望

笔者这次的改进实验并不十分完美.最遗憾的一点是悬挂架台的方式，因时间与材料限制，使用了绝缘胶带密封的铁架台进行悬挂使金属球C与静电计接触，而不是直接采用绝缘支架.此处如有合适绝缘材料当作支架来支撑大球会更加合适.当笔者小组对此实验进行改进后，最终在课堂上展示时取得了成功.笔者小组正是在备课时的一次次实验失败中完成了对实验装置、实验步骤的细化，提高了实验成功率.

在课堂上最终实际操作时，无论是否出现静电的漏电或者产生其他有误差的实验现象，都可及时调动现场学生积极性，分析实验装置步骤可能出现的问题，带领其完成探究性的学习，激发学生主动学习物理学科的兴趣.作为刚离开学校、走上讲台的新手教师，在讲课前难免心里没底、心里打鼓，如果做好了这个课本开篇就出现的实验，并能在如此不确定的实验中做得小有成效，那么作为新上任的物理教师而言，则可以小见大，从点滴处增强自己的教学信心，在讲台上站得更稳.