例谈电压表和静电计的区别

摘 要：电学实验是高考的必考内容。电压表和静电计是电学中常用的仪器，它们均可用来测量电势差，但由于构造和原理不同，其应用本质上也有所不同。

关键词：电学仪器;电压表;静电计;构造;原理;应用

中学物理学科核心素养是指物理观念、科学思维、实验探究和科学态度与责任这四个方面。而科学思维是物理学科核心素养的重要内容。我们在学习中，不但要掌握知识点的概念和规律，灵活运用所学知识解决问题，更要学会分析解决问题和探究问题的实质，培养解决问题的能力，最终实现培养学生科学思维品质。下面就电压表和静电计两种电学仪器为例，它们同是测量电势差，但本质却不相同，笔者从构造、原理和应用上进行分析说明。

一、 问题的提出

电压表和静电计是电学中常用的仪器，它们均可用来测量电势差，但很多同学会提出这样一些问题：为什么静电计能测电势差？它的理论依据是什么？能否用电压表来测平行板电容器两极板间的电势差？电压表和静电计测电势差有什么不同之处吗？等等。

辨析：正确答案为CD。

很多同学得出了错误的答案A，其原因在于对电压表和静电计的构造、原理及其应用的区别不清楚，才导致上述错误。

对于静电计和电压表，我们不仅要知道其构造，还要知道其原理，更要知道其应用和区分。只有这样我们才能真正了解和掌握静电计和电压表。

二、 静电计的构造、原理及其应用

（一）构造

静电计是在验电器的基础上制成的，如图2所示。在金属外壳中绝缘的安装一根金属细杆，细杆的上端是金属小球，细杆的下部是一根可以偏转的金属指针，并附有一个圆弧形标尺来显示指针偏转的角度。

（二）原理

验电器的金属球、金属杆的指针与金属外壳是彼此绝缘的，所以指针与外壳之间构成了一个电容值很小的电容器。使用时把静电计与带电的电容器两极板相连接（通常外壳还要接地以确保实验安全），相当于两个电容器并联。当电容器带电时，静电计也就带了电。其可动指针和固定指针因带有同种电荷而相互推斥，使可动指针张开一定角度。稳定时指针张角φ与指针的带电荷量Q成正比，而Q又与静电计得到的电势差（电容器两极板间的电势差）成正比，即Q=CU，所以静电计指针张角的大小反映出了带电的平行板电容器两极板间的电势差的大小。

（三）应用

由静电计的工作原理可知，利用静电计可以用来测量静电场中的电势差，由于静电计的金属杆与金属外壳之间是绝缘的，在用它测电势差时是断开的，所以指针稳定时静电计中是无电流的。

【例2】 在如图3所示的实验中，平行板电容器的A极板与静电计相连，B极板接地，若将B极板稍向上移动一点，试根据观察到的静电计指针变化，判断出平行板电容器电容变小的说法正确的是（  ）

A. 两极板间电压不变，极板上的电量变大

B. 两极板间电压不变，极板上的电量变小

C. 两极板上的电量几乎不变，两极板间电压变大

D. 两极板上的电量几乎不变，两极板间电压变小

解析：分析时应注意以下两点：其一，静电计指示的是平行板电容器的电压;其二，此实验操作过程中可以认为平行板电容器极板上电荷量几乎不变。故A、B答案不正确。

当静电计指针变化时则表示电容器上的电压的变化。

当电容器的B极板稍向上移动一点时，实验表明指針的偏角变大，即平行板电容器的电压变大。由于平行板电容器AB极板上的电荷量几乎不变。据电容器的电容定义式C=QU可知，平行板电容器的电容变小，所以答案为C。

三、 磁电式电压表的构造、原理及其应用

（一）灵敏电流表的构造

中学物理实验室里所用电表是磁电式仪表，（如图4所示）其构造是在一个很强的蹄形磁铁的两极间固定一个圆柱形铁芯，铁芯外面固定一个可以绕轴转动的轻质铝框，在轻质铝框上绕有线圈，轻质铝框的转轴上固定两个螺旋式弹簧和一个指针，线圈的两端点分别接在这两个螺旋式弹簧上，被测电流经过这两个螺旋式弹簧流入线圈。

图4 电流表的构造

（二）工作原理

蹄形磁铁和铁芯间的磁场是按辐向均匀地分布的，（如图5所示）当线圈中有通过电流时，线圈上跟转动轴轴平行的两边导线都会受到安培力作用，这两个安培力产生的力矩使线圈转动，线圈转动时会使螺旋弹簧扭动，弹簧产生一个阻碍线圈转动的力矩，力矩增大线圈转过的角度也增大，当两者的力矩相平衡时，线圈便停止转动。因而可以根据指针的偏转角度的大小，知道被测电流的大小。如果通过线圈的电流方向发生变化，线圈所受安培力的方向也改变，指针的偏转方向随之发生变化，所以我们根据指针的偏转方向，来确定被测电流的方向。

（三）应用

电压表是由磁电式电流表改装而成的，电压表要有示数，就必须有电流通过;若没有电流通过电压表，即便有电势差，电压表也无法测其电势差。

【例3】 如图6所示，U形导体框abcd处在匀强磁场中，匀强磁场的磁感强度为B，方向垂直纸面向里。长度为L的直导线MN中间连接一电压表，直导线MN跨接在ab和cd上，且与ab、cd垂直，MN与框架间是完全光滑的。C为电容器，R为电阻。现使直导线MN以速度v0向右匀速运动，用q表示电容器所带的电量、U表示电压表的读数、F表示对MN的拉力、C表示电容器的电容（由于电压表的体积很小，MN间电压受线圈切割磁感线的影响可忽略不计），则（  ）

解析：此题容易错选C，但正确答案选B。

在导线MN做切割磁感线运动，由法拉第电磁感应定律知导线MN两端有电势差，由于电路中有电容器，回路中无电流。只有电流通过电压表时，电压表会有读数。若无电流通过，即便电压表两端有电压，电压表也是不会有示数的。由于电路中无电流，也就不受安培力。故B选项正确。

在静电场中若两导体间存在电势差，当两导体间接入电压表后，由于电荷的定向移动而会使电荷重新分布，静电场中的电势也会改变。如果我们把例题2的电容器两极板间接入一块电压表，会出现什么结果呢？答案是电容器两极板所带的等量异种电荷，通过电压表放电完全中和，电压表示数为零，因而静电场中电势差不能用电压表测量。

在明确了电压表和静电计的构造、原理和应用后，例题1是不是也就容易解决了。

对例题1的再认识：当电键S闭合后，电路中有电流通过，电容器处于充电状态;当充电结束，电路稳定后电路中没有电流，由于无电流通过电压表因而其读数为零，这时电压表相当于一个非常大阻值电阻而将电容器C1短路，电源与在电容器C2连接，由于静电计与电容器C2并联，因而静电计两端的电势差等于电源电动势E，所以正确答案为CD。

总之，静电计和电压表虽然都是用来测量电势差的仪器，但其构造、原理及应用都有本质上的不同。我们要正确区分它们，不仅要知其一（构造），知其二（原理），更要知其三（应用）。

参考文献：

[1]郑金山，陈金贵.运用物理方法培养学科核心素养：以鲁科版·高中物理选修3-1为例[J].福建基础教育研究，2019（10）：109-110.

作者简介：

李茂华，山东省临沂市，山东省平邑第一中学。