自制电风车演示尖端放电的操作及原理探究

黄正玉

(深圳市第二实验学校 广东 深圳 518021)

全日制普通高级中学教科书《物理》(第二册)以及现行的人教版普通高中课程标准实验教科书《物理·选修3-1》对尖端放电现象的处理上，均以避雷针作为静电感应现象应用的实例．笔者对尖端放电实验进行了探讨，发现采用自制风车演示尖端放电实验趣味性强，课堂效果明显．并在实验基础上对其原理进行了初步探索．

1 实验探究

(1)电风车的结构制作

材料和工具： 易拉罐，缝衣针，泡沫板，剪刀，直尺，圆规，鳄鱼夹，导线，范式起电机，手摇静电起电机.

图1

简单制作过程：按图1所示尺寸，先在白纸上画出一个圆和8条切线．再用双面胶将白纸粘贴在剪开平压后的易拉罐金属薄片上．然后用剪刀按照实线将易拉罐金属片剪出．

将图1的4个尖端朝同一侧弯折成图2实物照片所示．再在圆心处用针尖按一个凹坑，在凹坑处插入缝衣针，一个电风车就做成了,如图3所示．

图2 图3

(2)电风车的实验操作

实验1：将自制电风车插在泡沫板上，用带鳄鱼夹的导线将缝衣针和静电起电连接，手摇起电机，可看到风车转动起来．如图4所示．

实验2：操作者站在泡沫板上，一手扶着范式起电机的起电球，另一手拿着风车下的缝衣针，如图5所示.改变距离观察转速的关系．结果如表1.

图4 图5

风车与起电球距离/cm15254070100转速慢中快中慢

实验3：操作者不接触范式起电机．身体离起电机20 cm，左、右手各拿一个风车，观察到两个风车均快速旋转．

2 理论探微

问题1:什么是尖端放电？

尖端放电是在强电场作用下，物体尖锐部分发生的一种放电现象．属于一种电晕放电．

问题2：为什么导体尖端电荷密度大？

将导体设想成为两个半径不同的导体球组成，先将两个导体球分别带上不同的电荷量，如果说两个导体电势相同，则导体球的带电情况如何？

当尖端部分分布的电荷密度增大到一定程度时，周围将产生很强的电场，导致周围空气电离，最终使得尖端的电荷向空气中释放，形成尖端放电．

问题3:放电的风车为什么会旋转？

风车尖端放电时，风车尖端的电荷将运动到空气中，根据反冲运动原理，风车将受到相反方向的作用力，从而使风车向着尖端的反方向旋转起来．

3 实验解释

实验1和实验2的旋转可以很容易的用上面知识解释．然而为什么，实验2的旋转快慢会和风车的距离有关呢？笔者觉得有如下影响因素．

因为15 cm距离太近，电场太强，导致风车除4个尖端外的其他边缘处也都在放电，因而合力距变小，旋转效果反而不好．100 cm距离太远，电场不够强，尖端放电不够明显．而40 cm处风车的尖端的放电刚好达到饱和，而风车的其他位置并没有放置，整个风车4个偏向一侧的尖端受到最大的力矩．所以旋转效果最好．

实验3，由于身体未直接接触起电机，因而电风车的电场不会出现过强或过小的情况，所以旋转情况和距离没有太大关系，尖端放电恰好达最佳状态．