“感应起电”实验装置的改进

2016-01-07陈建明

物理通报 2015年8期

关键词：箔片带电体轴孔

“感应起电”实验装置的改进*

陈建明

(上虞城南中学浙江绍兴312300)

*“‘静电场’系列实验的研究与设计”的研究成果，项目编号：SJG15343

摘要：感应起电实验深受天气条件的限制，在潮湿的空气中极易漏电，导致实验现象极其微弱，效果很不理想，甚至导致实验失败.为此，对常用实验装置进行了改进，改进后的验电器可代替裸露的金属箔片，不仅克服了实验的时空限制，而且使实验成功率大大提高.

关键词：感应起电实验时空限制现象不清成功率低装置改进验电器绝缘屏蔽

收稿日期：(2015-03-03)

1原先的实验装置

感应起电是高中《物理·选修3-1》第一节“电荷及其守恒定律”中3种起电方式之一，既承接了初中知识，又是引出电荷守恒定律的基础，也是成功上好静电场一章的关键.实验装置如图1所示.

图1　感应起电装置

取一对用绝缘柱支持的导体A和B,使它们彼此接触.起初它们不带电,贴在下部的金属箔是闭合的[1].

具体操作如下：

第一步：把带正电的物体C移近导体A,金属箔有什么变化？

第二步：这时再把A和B分开,然后又移去C,金属箔又有什么变化？

第三步：再让A和B接触,又会看到什么现象？

利用上面介绍的金属结构的模型，解释看到的现象.

此实验设计存在以下弊端：

(1)易受时空限制

在阴湿天气时，感应起电实验很难成功.因为空气潮湿，远离物体C的导体B也带正电荷，同种电荷相互排斥，箔片尖端裸露在潮湿的空气中很容易漏电，步骤一中导体B的金属箔片很难张开.晴朗天气时在办公室实验现象明显，但是在教室中演示时，实验却会失败.这是由于教室中人多，呼出水分多，湿度高，同样会导致实验失败.

(2)现象不够明显

金属箔片贴在导体A，B上，若要使箔片张开，须让箔片带上大量电荷.而裸露在潮湿空气中的箔片很难带上大量电荷，所以箔片张角不大，现象不明显.步骤二中，撤去带电体C后，箔片张角会更小，特别是导体B上的箔片甚至会闭合.步骤三更难以继续，致使实验失败.

(3)成功几率很低

为增强感应起电的效果，让导体A，B上的箔片张角明显，一般选择静电起电机连接带电体C，静电起电机的电量虽然多，但是电压也很高，可达几万伏.当带电体C太靠近导体A时，极易击穿空气放电，使导体AB整体带电，在步骤三中，再次接触A和B，两导体的箔片均不闭合，实验失败.带电体C太远离导体A时，箔片张角较小，实验现象不明显，所以带电体C的距离要恰到好处，很难控制，实验成功几率很低.

2改进的实验装置

原先的实验原理简单，实验步骤设计巧妙，为提高实验现象的明显程度和成功几率，笔者只对实验装置着手进行改进.用验电器代替裸露的金属箔片，克服容易漏电的缺陷，不受时空限制.改变带电体C的带电方式和改进验电器来增加实验现象的明显程度，提高实验的成功几率.

2.1替代金属箔片

取下验电器顶端的金属球或金属圆片，在导体A和B下面打个小孔，把验电器的金属杆插入导体A和B下面的小孔，使金属杆与导体充分接触，用502胶水粘住，金属杆下端连有可以转动的金属箔片，将装置下端置于透明塑料玻璃罩内，如图2所示.验电器的金属箔片受力转动，带同样电荷的条件下，比直接粘在导体A,B上张角更大，实验现象更加明显.而且透明的塑料玻璃把金属箔片与潮湿的空气隔离，减少漏电，同样能提高实验效果，保证实验顺利完成.

图2　用改装的验电器替代图1中的金属箔片

2.2改变起电方式

感应起电机产生的电压太高，容易击穿空气放电，使导体A，B整体带电致使实验失败.笔者选用尼龙布摩擦PVC管，使PVC管带电，替代带电体C去感应导体A，B.摩擦起电的PVC管，带电量大而且电压较低，不易放电.可尽量靠近导体A，增大两验电器箔片张角，增加实验的可视效果.

2.3优化验电结构

2.3.1制作轴孔，灵活转动

弯折的金属箔片，挂在铜轴上，因为轴孔不是规则的圆形，如图3所示.转动时，会使金属箔片左右偏转，使箔片受到支架的摩擦力难以转动，甚至卡在支架上导致实验失败[2].为避免上述情况的出现，笔者先用比铜轴稍粗的铜丝为轴心，绕一圈后用502胶水粘住.抽出中间的铜丝，构成一个圆形轴孔，如图4所示.这样就能让金属箔片在铜轴上灵活转动，保证实验成功完成.

图3　改进前挂箔片不规则的轴孔

图4　改进后的圆形轴孔

2.3.2封蜡绝缘，减少漏电

把验电器金属杆上的绝缘胶木去掉，穿入圆珠笔的笔套里，外面套上橡胶塞，里面灌入融化的石蜡，如图5所示[3].同样用石蜡封住导体A，B与验电器的连接处和铜丝转轴的两端，使整个验电装置除了导体A，B和金属箔片，其他部分均被石蜡封闭，与空气绝缘，大大减少漏电的可能性，使金属箔片能长时保持一定的张角，便于学生观察研究.