利用枕形导体做静电感应实验的正与误

于 冰 于海波

(东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024)

静电感应实验是高中物理教学中的经典实验.在高中物理教学中，经常利用枕形导体等器材来演示静电感应现象、验证静电感应使导体两端带等量异种电荷.从理论上看这个实验比较简单，但是具体实验方案的选择和实际操作都容易出现错误或不当之处.本文将针对一个错误的实验方案展开分析，进而给出两个正确的实验方案，希望能为中学物理教学提供有益的参考.

1 教科书中的实验方案及其操作注意事项

在很多版本的中学物理教科书中，主要都是利用枕形导体、金属箔、带电体等器材来做这个实验.具体实验方案是：首先让两个枕形导体的平口端接触靠在一起，起初它们不带电，贴在每个枕形导体下部的金属箔是闭合的.然后把带电体接近枕形导体的一端，观察金属箔的变化.接下来把两个枕形导体分开，移去带电体，观察金属箔的变化.最后，再让两个枕形导体接触靠在一起，观察金属箔的变化.这是一个比较经典的静电感应实验，可以有效说明静电感应使导体两端带等量异号电荷.为了确保这个实验成功，需要注意以下几点事项：一是两个枕形导体接触后必须要清除掉枕形导体上的残余电荷；二是操作过程要尽量快一些，防止漏电.三是在中学物理教学中经常利用摩擦过的玻璃棒或橡胶棒作为带电体，需要保证带电体在靠近枕形导体时，不能离枕形导体太远，也不能离枕形导体太近.如果距离太远，感应效果非常不明显，金属箔不会张开.如果距离太近，容易发生放电现象而影响实验.总之，按照这个方案进行操作，让枕形导体下面的金属箔张开并不是一件容易的事.

2 一个实验方案的错误分析

在物理教学中，为了能够更容易、更清晰地演示出静电感应现象，可以用静电计来检验导体带电情况，于是经常有人采取这样的实验方案：利用枕形导体、静电计、带电体等器材.首先使带电体靠近两个接触的枕形导体，然后将枕形导体分开，使之分别与静电计接触，观察静电计指针变化.期待通过静电计指针先张开、然后合拢归零的现象，来说明两个枕形导体带等量异种电荷.事实上，如果按照此方案进行操作，在静电计灵敏度高、绝缘效果好的情况下，静电计指针根本不会合拢归零，也无法验证两个枕形导体带等量异种电荷.为什么这样的方案是不正确的呢？因为这个方案在原理上存在错误：每个枕形导体与静电计相接触时，枕形导体上的电荷无法全部转移到静电计上，或者无法保证每个枕形导体转移到静电计上电荷的比例是相同的.在这样的情况之下，自然也就无法达到实验目的了.

3 两个正确实验方案的探讨

前面已经分析，让带电后的枕形导体分别直接与静电计相接触，无法验证静电感应使导体两端带等量异号电荷.下面本文介绍探讨两个正确的实验方案.

第1个方案：同样利用枕形导体、静电计、带电体等器材，但是操作步骤有所不同.首先还是使带电体靠近两个接触的枕形导体，然后将枕形导体分开.接下来先将一个枕形导体与静电计相接触，会发现静电计指针张开.保持第一个枕形导体与静电计接触不动，再将另一个枕形导体与静电计相接触.这时如果发现静电计的指针合拢归零，就可以说明两个枕形导体带的是等量异种电荷.为什么这个方案是可行的呢？因为按照这个方法进行操作，就避免了两个枕形导体上电荷往静电计上转移比例不一致的问题，因而可以验证静电感应使枕形导体带等量异种电荷.

第2个方案：除了枕形导体、静电计、带电体等器材，再加一个法拉第筒.实验开始前，在静电计上端加一个法拉第筒.让带电体靠近两个接触的枕形导体，然后将枕形导体分开.先将一个枕形导体与静电计上法拉第筒的内表面相接触，会发现静电计指针张开.移开这个枕形导体，这时静电计张角保持不变.再将另一个枕形导体与静电计上法拉第筒的内表面相接触，如果静电计的指针合拢归零，就可以说明两个枕形导体带等量异种电荷.这样设计操作之所以可行，其实是利用了电荷在导体上的分布规律：根据静电平衡下导体壳的内表面处处没有电荷的性质，将带电导体与导体内壳表面接触时，带电导体的表面成为导体壳内表面的一部分，带电导体上电荷一定会全部转移到导体壳的外表面上去.[1]根据这个规律，枕形导体伸入法拉第筒内且与筒的内表面接触时, 枕形导体上的电荷全部转移到到筒的外表面上，进而转移到静电计上.通过实际操作，让两个带电后的枕形导体分别与法拉第筒内表面接触，确实出现了相应的实验现象，进而验证了静电感应使导体两端带等量异种电荷.