气体导电性的演示实验,取两个验电器,一个带正电,一个带负电,并使它们上端的金属球互相靠近,这时,如果空气很干燥,它们就保持带电状态不变,用酒精灯给两个金属球之间的空气加热,就会看到验电器很快地放电,如果拿开酒精灯,放电又立即减慢。我们反复多次演示这个实验,现象都很不明显,达不到课本上所述的效果。一是无法保证空气很干燥;二是验电器的箔片张角度变化可见度不高,直观性不够。为此湖南省东江师范学校王国昌老师对这个实验作了如下改进:方法是利用感应圈产生高压放电,灵敏电流计检流,很直观地演示气体导电性能。
图2的实验装置由感应圈,灵敏电流计,两块平行金属板组成。感应圈接10-12V直流电压,灵敏电流计选择量程为500uA演示用电流计,平行金属板可用演示平行板电容器代替。
这个装置可以演示:
(1)气体在高压下可以导电。第一步:由图2中A、B直接接到10-12V低压电源上,不通过感应圈,调节两块金属板之间的距离,可以发现无论两块金属板之间的距离是大、还是小,灵敏电流计指针总是不偏转,说明气体在低压下不导电。第二步:把图2中A、B接到感应圈的输出端,通常感应圈的次级线圈两端输出5-6万V高压,因此将其输出端分别接到两块金属板上后,正负电荷将分别聚集在两块金属板上,两板之间电压将达到5-6万V。接通电源,当两块金属板距离调到约3-35cm时,通过电流计可以显示两块金属板之间的空气有电流流过,两金属板之间的空气导电了,说明空气在高压下可以导电。当两板距离逐渐加大,由电流计又可以看到,电流减小了。当两板距离增大到6-65cm时,电流计指针几乎不动,观察不到气体导电,这也可以说明采用裸导线的输电线路不会由于空气连通电路而造成短路事故。
(2)气体的导电性与温度的关系。采用上面同样位置,当两金属板之间的距离为6-65cm时,观察到空气几乎不导电。用一盏酒精灯给两块金属板之间的空气加热,就会看到电流计指针又偏转,说明这时空气又导电了。
注意,感应圈产生5-6万V的高压,每演示完一步后一定要用放电杆使两金属板及时放电,以免伤人。
用废灯管制作稀薄气体中的辉光放电演示器
管的截取长度同前。两管口用橡皮塞封闭,一端橡皮塞内插入一根直径25mm铜线,让管内长度为30mm,并在管内的端点处焊一直径20mm的圆铜片;在另一端橡皮内插入一直径为7mm的玻璃管和一根直径为25mm的铜线,其管内长度为30mm,且端点锉成尖状。为防止透气,橡皮塞与管间可抹上凡士林油。
演示时,把图2中管内两铜线分别与感应圈输出端的正负极相接并通电,然后开始抽气,慢慢就看到在管中气压逐渐下降的情况下灯管中所发生的辉光放电的变化情况。
“玻璃变成了导体”演示实验
九年义务教育《物理》第二册第四章“导体与绝缘体”一节中图4-12演示实验,目的是为了说明导体和绝缘体之间没有绝对的界限。当条件改变时,绝缘体可以变成导体,导体又可以变成绝缘体。
首先,我们来研究一下图4-12。“接电源”是用接线柱符号“○”来表示两个输入电极的,一般理解为交流输入,至少可以肯定不用干电池类低压源,灯泡也不是一定用小电珠,究竟需要多高电压,要根据选用的玻璃体类型和指示灯泡的标称值估算,再通过准备性实验来确定。教师教学用书中没有给我们提供选用元件的标称值,也没有给出参考电压值,说明可供选择的范围较大,但书中从简便、节约的角度提示“用断丝的废电灯泡芯来做(玻璃体)”
,并且“建议一定要做好”这个实验。
如果把图4-12电路理解成“用6V电源、25V小电珠”来做演示实验,由于通过小电珠的电流不足以使灯丝发足够的亮光来直观地显示出玻璃由“绝缘体”变成“导体”的转化过程,就课堂教学效果来说,演示不算成功。
新疆乌鲁木齐市冶建学校胡善庆老师介绍在教学实践中,具体做法是这样的:用220V交流照明电作电源,用220V、15W(或10W)小灯泡做线路导通的指示灯,用白炽灯泡的灯芯作为玻璃体;从安全用电的角度考虑,在电路中要串联一个05A的保险盒,电键改用盒式拉线开关。电路连接和操作方法仍按教材第50页和教学用书第35页介绍的去做。
用方框图表示这个电路。
实验能否成功,关键在于准备工作要注意以下几点:(1)敲碎很薄的灯泡玻璃外壳和钳去多余的灯丝柱头时要特别小心,避免灯芯因震动而产生裂痕,尤其不能损坏灯芯上两根铜丝根部的玻璃;(2)连接电路时,跟两根铜丝相连的导线尽量采用柔软的导线焊接(或用电池夹自由地夹牢),并把导线挂在方座支架的横杆上,轻轻地小心调整导线的悬挂长度(这时提供玻璃体的灯芯已被橡皮包住夹在支架的铁夹内),尽量使玻璃体上的铜丝既不受到轴向扭转力矩,也不受到太大的横向剪切力。总之,要尽量保持铜丝根部与玻璃体结合的部位处于不受破坏的自然状态(见图2);(3)玻璃灯芯上有一个孔,孔的前部是扁形的玻璃体,孔的后部是空心的玻璃管。被酒精灯焰加热的是玻璃体而不是孔后部的玻璃管。调整灯焰的大小,使外焰灼烧整个玻璃体,只有当两根铜丝根部的玻璃都被烧软、发红,才能观察到玻璃导电现象(最好用酒精喷灯,一是火力集中,加热快,但喷焰不要太猛;二是便于调节火焰高度和火力大小)。整个装置必须在课前安装、调节、试用就绪,才能保证课堂演示成功。
实验步骤及现象:把电源插头插入电源插座中,闭合电键,10W指示灯没有亮,说明常温下玻璃是绝缘体;点燃酒精灯,对准玻璃体灼烧1-2分钟,便看到玻璃渐渐变软发红,同时也看到指示灯的灯丝先暗红、再亮红,直到发出正常的亮光,说明玻璃在高温条件下变成了导电体;移走酒精灯,指示灯的亮光先逐渐变弱,再看到灯丝由亮红变暗红,最终熄灭,说明玻璃由高温降到常温时,又由导体变成了绝缘体。再用酒精灯灼烧玻璃,灯又亮起来。
整个实验过程在五分钟之内即可完成。学生对实验装置、实验现象及教师的操作一目了然,对“玻璃在常温下是绝缘体,在高温下是导体”确信无疑。
用明矾做导体和绝缘体相互转化实验
示教板的制作
用明矾(含结晶水的硫酸铝钾)作导体和绝缘体相互转化实验的装置。在示教板正中高约25cm的位置固定一折成直角的薄铁板,水平方向的一端靠端部事先开一大小正好能穿过试管的圆孔。试管的口部用胶布缠几层,使试管放入孔中不至脱落,试管中插入两根互不相碰的粗金属丝,金属丝下端插至试管底部,其中一根用导线连通电源正极接线柱,另一根用导线连通固定于示教板上部卡口灯座上的发光二极管正极,发光二极管负极用导线连通电源负极接线柱。
实验方法试管中加入适量明矾,以明矾熔化后液体表面高过两金属丝下端为宜,接线柱接3V直流电源。试管底部用酒精灯加热,明矾未熔化前,发光二极管不发光,说明电路不通,明矾表现出绝缘体的性质,当明矾开始熔化时二极管发光,并且越来越亮,证明明矾由绝缘体变为导体,停止加热,明矾慢慢凝固后二极管又停止发光,说明明矾又变成了绝缘体。如果电源采用220V交流电,发光体可改用220V、25W白炽灯泡装在卡口灯座上,效果亦十分理想。
河南省方城县第一初级中学刘庆云老师本实验用明矾作导体和绝缘体相互转化材料,比玻璃的转化温度低,明矾熔化温度仅98℃,实验所需时间更短。
注意事项实验前需对明矾进行干燥处理,或加热熔化后再凝固,防止因潮解表面有一定的导电能力,使实验失败。