灵敏静电验电器的制作及其教育功能

灵敏静电验电器的制作及其教育功能*

李科敏

(湖南理工学院物电学院湖南 岳阳414006)

胡欣杰

(湖南省冷水江市诚意学校湖南 娄底417500)

谢 超汪水苗刘曼林周魁葵

(湖南理工学院光电技术及应用物理创新训练中心湖南 岳阳414006)

*湖南省湖南理工学院光电技术及应用物理创新训练中心建设项目(2013-2016)；湖南省湖南理工学院光电技术及应用物理创新训练中心建设项目(2013-2016)子项目，“改革教学设计的方法培养学生创新能力的研究与实践”；湖南理工学院2015年大学生研究性学习和创新性实验计划项目“对静电验电器改进设计与制作的研究”.

摘 要：静电实验在通常情况下是难以演示成功的，这是由于带静电的物体具有“电压高”、“带电量少”等特点.我们制作的灵敏静电验电器不仅可以成功地演示许多静电实验，如演示带电体之间的静电相互作用、检验物体是否带电及带电的种类，而且具有现象明显、制作简单、取材便利、成本低廉、操作方便和经久耐用等优点.

关键词：灵敏静电验电器带电体静电

作者简介：李科敏(1965-)，男，博士，教授，主要研究方向为物理课程与教学论.

收稿日期：(2014-07-19)

静电实验在通常情况下是难以演示成功的，这是由于带静电的物体具有“电压高”、“带电量少”等特点.带静电物体的电压一般高达几千伏特至几万伏特，甚至更高，在这种高电压下，通常被认为是绝缘材料的众多物体，如纸片、干木棍，甚至玻璃、塑料、橡胶等，都不一定是可靠的绝缘体，也就是说，我们平时所说的绝缘体很可能在这种高电压下变成了导体，它们几乎变得和导体一样可以使带电体所带的静电很快漏掉，尤其是在空气较为潮湿、材料较为老化或材料表面不够清洁的情况下更是如此.此外，带电体之间的静电作用力很小和物体之间的摩擦力矩相对较大等因素也是导致静电实验难以演示成功的重要原因.

我们通过实验发现，在静电高电压下，人们生活中随手可得的泡沫塑料、石蜡等仍然可以保持很好的绝缘性.因此，我们选用表面洁净的泡沫塑料，并巧妙利用点接触减少物体之间的摩擦力矩，成功制作了一种演示效果很好的灵敏静电验电器.

1灵敏静电验电器的制作

1.1所用材料

表面洁净的泡沫塑料1块，玻璃试管1根，木板1块，铁钉2枚，空心塑料管1根(可插入玻璃试管中且长于玻璃试管)，小刀、铁锤、钢锯各1把.

1.2制作方法

(1)制作圆柱形泡沫载物台：用小刀切出一个圆柱形泡沫塑料，并在它的端面上沿直径方向切出一个半圆柱形的浅槽，如图1所示.

图1

在圆柱形泡沫塑料的背面挖一个细玻璃试管可以插入的小洞，如图2所示.

图2

制作时要保证浅槽和小洞之间还有泡沫塑料隔开而不相通，以便确保带电体和外界用绝缘体隔开.这就制成了灵敏静电验电器的载物台.载物台用于放置带静电的物体.

(2)制作底座和尖端支柱：用钢锯切出面积约为20 cm×20 cm的木块，并用铁锤在其中央钉一枚铁钉制成底座；在一根空心塑料管中固定另一枚铁钉(钉尖向外)做成一个尖端支柱，如图3所示.

图3

(3)组装灵敏静电验电器：将玻璃试管底部插入圆柱形泡沫载物台的小洞里，把尖端支柱竖立在底座上(只要把底座上的铁钉插入尖端支柱空心的一端即可)，如图4所示.

图4

再把玻璃试管和载物台一起套装在尖端支柱上，使玻璃试管只与尖端支柱的钉尖相接触且活动自如，如图5所示.至此，就成了灵敏静电验电器.

图5

2灵敏静电验电器的使用

该灵敏静电验电器可以很方便地演示以下实验：

(1)演示电荷之间的相互作用：将带电的物体放在圆柱形泡沫载物台上(圆棒形带电体卧在浅槽中)，用另一带电体去靠近它，可以观察到两带电体相互吸引或排斥的现象.

(2)确定带电的种类：将已知带电种类的带电物体放在圆柱形泡沫载物台上，用另一待测带电体去靠近它，如果两者相互吸引，待测物体和已知带电体带有异种电荷；如果两者相互排斥，待测物体和已知带电体带有同种电荷.

(3)检验物体是否带电：将不带电的物体放在圆柱形泡沫载物台上，用另一待测物体去靠近它，如果相互吸引，待测物体则带电；如果不吸引，待测物体则不带电.

3灵敏静电验电器的优点

静电的电压高、带电量少等特点使得在通常情况下被认为是绝缘材料的众多物体可能都变成了导体，这使静电实验一般难以演示成功.由于在人们生活中随手可以找到的泡沫塑料和石蜡等在静电环境下仍然保持很好的绝缘性，因而，采用泡沫塑料或石蜡作成的载物台来承载带电体可以有效地避免漏电现象.此外，在此教具中，我们使泡沫塑料做成的载物台通过玻璃试管和尖端支柱进行针状接触，大大减小了泡沫载物台转动中遇到的摩擦力矩.因此，该教具拥有设计精美、现象明显、制作简单、取材便利、成本低廉、操作方便和经久耐用等优点.

4应用拓展

该灵敏静电验电器之所以具有良好的演示效果，主要是因为采取了以下两个关键性的措施：一是选用了在静电高压下仍有良好绝缘性能的泡沫塑料、石蜡等作为隔绝带电体的绝缘材料，二是巧妙地利用点接触减少了物体之间的摩擦力矩.这两个设计思想可以推广到去解决相关的实际问题.例如，实验室常用的静电验电器往往因为材料的老化或者材料表面不够清洁而导致不能工作，若采用表面清洁的石蜡或泡沫塑料把静电验电器的金属杆和静电验电器的接地金属壳隔开，静电验电器通常即可恢复到良好的工作状态；若要展示较小作用力的存在，均可以考虑采用点接触来减少有关的摩擦力矩来实现.

5灵敏静电验电器的教育功能

由于该灵敏静电验电器具有现象明显、操作方面、成功率高等特点，采用它做教具，可以生动地展示静电的性质和培养学生的学习兴趣.一方面，该教具可以让学生通过操作和观察，亲身体验到不同电荷之间具有相互吸引力或者相互排斥力、带电的物体可以对不带电的物体施加吸引力、检验电荷种类的方法等，这为学生更好地理解和掌握静电知识提供了生动活泼的现实场景，因而可以促使学生更好地理解和掌握静电的性质和规律；另一方面，该灵敏静电验电器的取材全部来自学生生活中十分熟悉的物品，利用该灵敏静电验电器讲授和学习静电知识，可以大大拉近抽象的物理知识和学生生活之间的距离，让学生感受到静电知识就在自己的身边和静电知识对自己生活作用，因而会对静电知识感到亲切、有用、有趣，这样，不仅可以收到很好的学习效果，而且可以激发学生的学习积极性和培养学生的学习兴趣.

若用该灵敏静电验电器的制作和操作作为学生课外科技活动或者科学探究的内容，既可以训练学生的心理品质和培养学生的创新能力，又可以让学生进一步坚定辩证唯物主义世界观和经历科学探究的过程.

参 考 文 献

1刘炳昇.中学物理实验教学与自制教具.上海：上海教育出版社，2000.9

2中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2011年版).北京：人民教育出版社，2011.7

3罗星凯.中学物理疑难实验专题研究.桂林：广西师范大学出版社，1998.6