用带电薄锡纸改进电荷间相互作用演示装置

广东省梅州市梅县区高级中学(514011) 李叶贤

1 问题的提出

人教版高中物理选修3-1教材中采用如图1所示的实验装置来定性探究影响静电力大小的因素。保持带电小球q1和q2的带电量不变，探究球间距和静电力大小的关系；或者保持球间距不变，探究球带电量和静电力大小的关系。由于缺少材料和较难让球带电，导致教师较少演示此实验。针对此问题，联想到验电器的工作原理是用带电金属箔的张合来验证物体是否带电。受此启发，能否用悬挂的带电金属箔受到静电力后，偏离竖直方向的夹角大小来定性探究影响电荷间相互作用的因素呢?

图1 教材实验装置

2 实验器材

薄锡纸1张、感应起电机1台、带支架的金属圆盘2个、导线2根、铁架台1个、绝缘细丝线2根。

3 实验原理

取与金属圆盘面积差不多的薄方锡纸1张,在其上方钻2个小孔，并挂上绝缘细线。为了让锡纸稳定摆动，把锡纸最下方部分卷成直径2 mm左右的实心小圆筒。此步骤可让锡纸的重心下移，有利其稳定的摆动，方便实验现象的观察和分析。

按如图2所示安装好实验器材，首先用导线把感应起电机起电端和金属盘各自连接起来，用丝线把薄锡纸悬挂在铁架台上，调整高度使其中心与盘中心等高，慢慢地移动锡纸使其接触金属盘。摇动感应起电机的手柄，使莱顿瓶开始充电。随着电量逐渐增多，由于薄锡纸和接触的金属盘带同种电荷，其受斥力；薄锡纸和对面的金属盘带异种电荷，其受吸引力。每当薄锡纸接触到对面的金属盘时，薄锡纸上的电荷与盘上的异种电荷中和，发出“啪啪”的轻微放电声。随后，中和电荷后的薄锡纸又与刚接触的金属盘带同种电荷，其受斥力又弹回原处。因此，薄锡纸在金属盘间不断来回摆动，而且手柄摇动越快，锡纸摆动得越快。此现象说明带同种电荷的物体间互相排斥，带异种电荷的物体间互相吸引。

图2 改进实验装置

4 实验过程

解决了物体带电问题，下一步通过控制变量法探究影响静电力大小的因素有哪些？由于带电体能吸引不带电的轻微物体。带电金属盘吸引薄锡纸，不能确定薄锡纸是否带电。因此，我们用带同种电荷物体间的排斥力来探究电荷间的相互作用比较合适。

4.1 保持同种电荷的物体间距不变，探究物体带电量和静电力大小的关系

(1)把感应起电机的两个金属球接触放电后，再分开。取走一金属盘，如图3(a)所示，用导线把感应起电机起电端与剩余盘连接起来，并让悬挂的薄锡纸与盘接触。

(2)摇动手摇感应起电机的手柄，由于薄锡纸与接触盘带同种电荷，如图3(b)所示，薄锡纸会远离金属盘。停止摇动，锡纸会在偏离一定角度θ后静止。

通过受力分析可知，质量为m的锡纸受到的静电力F=mgtanθ。继续摇动手柄，随着金属盘聚集的电荷越来越多，锡纸受力平衡状态被破坏，原来静止的锡纸偏离竖直方向的夹角θ越来越大。这些现象说明带电薄锡纸和盘间的静电力随着电量的增加而增大，随着电量的减少而减小。

4.2 保持同种电荷物体的带电量不变，探究物体间距和静电力大小的关系

(1)让薄锡纸与金属盘接触，摇动感应起电机的手柄，使它们带同种电荷互相排斥。停止摇动感应起电机的手柄，金属盘和锡纸的带电量不变。

(2)如图3(c)所示，移动金属盘让其远离带电薄锡纸，则锡纸偏离竖直方向的夹角θ越来越小。

(3)如图3(d)所示，移动金属盘让其靠近带电薄锡纸，则锡纸偏离竖直方向的夹角θ越来越大。

图3 实验过程

通过此现象说明在带电锡纸和金属盘带电量不变时，它们间的静电力随着距离的增加而减小，随着距离的减少而增大。

综合上面的实验可知，静电力随物体的带电量增加而增加,随物体间距增加而减小。

5 实验教学效果与评价

本改进实验取材简单，使用实验室的感应起电机、带支架的金属圆盘和烧烤用锡纸,器材组装方便，带电锡纸摆动角度大，现象更明显。教师利用日常生活中的材料自己动手改进教材实验，可活跃课堂气氛，提高学生学习兴趣，激发学生主动思考，加深对实验原理的理解，为学生掌握理解物理规律提供了极大的帮助。在讲授本改进实验的原理时，还可打破思维桎梏，培养其创新意识和创新能力，并为以后讲解库仑扭秤实验的原理做好铺垫。在实际的课堂教学中，学生对本实验印象深刻，反应热烈，取得了非常好的教学效果。