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第7章 静电实验的操作与改进设计(4)

[例2]在图2所示的实验装置中,平行板电容器的极板A与一灵敏的静电计相接,极板B接地,若极板B稍向上移动一点,由观察到的静电计指针变化作出平行板电容器电容变小的结论的依据是(A)两极板间的电压不变,极板上的电量变小。

(B)两极板间的电压不变,极板上的电量变大。

(C)极板上的电量几乎不变,两极板间的电压变小。

(D)极板上的电量几乎不变,两极板间的电压变大。

最近几年,一些物理教学杂志对静电计工作原理进行了一些讨论,认为静电计应被看做电容值很小的电容。该题的正确选项为(D)。C、D两个选项中的“极板上的电量几乎不变”这句话既体现了电量要变,又体现了电量变化很小(△Q=C△U),这与实际情况相符。从高考题的这种叙述启示我们教师必须在教学中讲清静电计的非理想化模型。

[例3]充电后水平放置的平行板电容器两极板与静电计相连后,静电计指针偏转θ角,这时一带电液滴静止在两极板间,若使两极板的距离增大,则(A)液滴仍静止,θ角减小。

(B)液滴仍静止,θ角增大。

(C)液滴向下运动,θ角减小。

(D)液滴向下运动,θ角增大。

这是一个十分有意思的题目,前面所述的静电计的理想与非理想两种模型在此尖锐对立,如果按前一种模型,把静电计看成一种理想的检测仪器,那么当两极板距离增大时,电容器上的电量Q仍不变,U变大,E=Ud=QCd=Qε0s4πkd·d=4πkQεS不变(或从电场线疏密考虑也可)F电不变,答案为(B),这也是一般学生的选项,说明一般学生解题常用理想模型。

若按后一种模型,把静电计看成一个小电容,当平行板电容器的电压增大时,静电计两端的电压也要增大,平行板上的电量有一小部分要转移到静电计上,由于Q变小,E也要变小,F电变小,液滴的平衡将被破坏,向下运动,答案为(D)。这是班级中优秀的学生的选项,你能说它错误吗?它是否更接近真实情况?但出题者给出的标准答案为(B)。

一般来说,若题目问及的是U、C变化情况时,采用两种模型得出的答案是相同的,当问及Q、E(F)时,选用不同模型有可能答案不同,这是出题者应注意的。

静电计有理想和真实两种模型共存。静电计采用哪种模型相对较难把握,所以题目的叙述要有一个明确的导向。

试用土办法自制导电纸

根据《教学标准》要求,高中阶段应指导学生做课本中“电场中等势线的描绘”的实验,而完成此实验成败的关键是需一种导电纸。

湖南株洲市南方动力机械公司樊燕、余志华老师介绍了尝试着摸索自制导纸的方法:

曾认为能导电的铝箔纸便可做好这个实验,可是实验结果并不好;经过认真测试分析,发现电阻太小,根本不符合要求,我们进而想到初三物理书上有个小实验说铅笔芯够导电,假如将铅笔芯粉末在纸上多擦些,不是能使这种纸导电吗?测试这种粘满铅笔芯的纸,发现电阻分布不均匀,等势线也找不出,再说将铅笔芯擦在纸上,一是太费时间,二是电阻分布很不均匀,不符合教材中的规定,然而测得电阻大小还是基本符合要求的。从这点我们受到启发,铅笔芯的主要成分是碳粉,何不直接用木炭试一试,但用木炭作实验的结果,仍令人失望。后来我们想到干墨汁的主要成分是炭(也含微量骨胶),倘若用墨汁涂在纸上,让它干透后不是可导电吗?我们立即找来几张二十四开(六十克)的备课纸,小心翼翼地将墨汁均匀地涂在备课纸上。我们先将备课纸平放在地上,用蘸满墨汁的毛笔竖涂。涂第一遍等墨汁未干,拿万用电表测得电阻为76000Ω;待全干后测试电阻为51000Ω;涂第二遍全干后测试电阻为7500Ω;涂第三遍全干后的电阻为5000Ω;涂第四遍完全干透后的电阻是3600Ω。我们经过四遍均匀地边涂边测试,终于制出了完全符合教材实验要求的土导电纸,并用它做过多次实验,每次都能成功地用描迹法画出电场中平面上的等势线。

经过我们探索自制的导电纸,具有取材方便、制作简单、见效明显的特点,故冒昧地把这种做法介绍出来,建议同学们不妨一试。

对感应起电机的修复方法

感应起电机,是获得大量正、负电荷的仪器之一,它能做多种静电实验。它的主要部件起电盘,是由具有适当形状的金属箔均匀地粘贴在有机玻璃圆盘上而成,莱顿瓶也是由金属箔粘贴在玻璃瓶的内、外表面后,加装电极而成。但近年来,有的生产厂商,附图

为了追求利润,偷工减料,用导电性能极差的糊状物代替金属箔,涂敷在有机玻璃上制成起电盘和菜顿瓶。制成后,因这些糊状物尚未干透,勉强可以导电,凑合着能用,但时间一长,待糊状物干透后,导电性能极差,甚至一点也不会导电,实验时,无论你如何操作,起电机也不会起电,这给静电教学带来一定困难。

为了不使教学工作受影响,河南洛阳师范高等专科学校傅和平老师反复研究,查找原因,最终认定是糊状“金属箔”在作怪,便重新用金属箔(香烟盒中的箔纸)剪成适当的形状,粘贴在有机玻璃盘和有机玻璃筒上,还其起电盘和莱顿瓶的本来面目,当再次操作起电机时,立即起电,并产生火花放电现象,效果颇佳,使教学工作免受影响。

法拉第圆筒实验

如何做好法拉第圆筒实验

法拉第圆筒演示实验,常用方法是用摩擦棒起电,使装有法拉第圆筒(现大都做成上端开口的空心金属圆球,以下简称“圆筒”)的验电器带电,然后用有绝缘柄的金属小球将圆筒上的电荷移到另一只不带电的验电器上。然而,我们多年来做此实验,现象显示不明显,因为用摩擦棒可使验电器带电,但装上圆筒后,摩擦棒就不能使验电器的箔片张开或张开角度很小,特别是用有绝缘柄的金属小球与圆筒的外部接触时,验电器的箔片会很快合上,更不能使不带电的另一只验电器带电,实验现象完全显示不出来。尽管有的资料中提到,实验时要对验电器和圆筒进行干燥,但既麻烦,又费时,还受天气的影响。于是江西氨厂学校杜远东、江苏扬州中学老师方学成在起电的方法上作了改正,即用感应起电机代替摩擦棒,使装有法拉第圆筒的验电器带电,效果很好,并且天气对实验的影响不大。

具体方法:

(1)调节感应起电机的放电杆,使两个放电球的距离较大,避免放电球之间放电。

(2)用导线连接起电机的一根放电杆和装有圆筒的验电器,其中与验电器连接的一端最好用鳄鱼咀夹。

(3)顺时针摇转起电机,使验电器的箔片张开到与竖直方向夹角30°-45°,立即断开与验电器连接端的导线。然后按课本上的方法做此实验,现象就十分明显了。

实验起电装置如下图:

注意的问题:断开导线时,手只能捏住鳄鱼咀夹的绝缘部分,不能接触导体部分,否则验电器带的电荷会失去。

法拉第圆筒实验的进一层意义

法拉第圆筒实验证实了处于静电平衡状态的带电导体,静电荷只分布在导体的外表面上。其实,这个实验的意义并不仅仅在于此,它还有进一层的意义。

法拉第圆筒带了电,当它处于静电平衡状态时。它是一个等势体。尽管电荷只分布在它的外表面,内表面不带电,但它们的电势是相同的。用有绝缘手柄的金属小球与圆筒的外表面接触,则圆筒上的电荷有一部分移动了小球上;而用这只小球与圆筒的内表面接触时,则圆筒上的电荷没有移到小球上,这是为什么呢?

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