趣味实验“静电飞花”原理分析

卢 衎，杨文健，李 灿，熊举峰

(湖南师范大学 物理与电子科学学院，湖南 长沙 410081)

“静电飞花”实验常常被应用于中学静电教学中，实验现象明显且趣味性强。该实验原理包含“接触起电”和“感应起电”，且起电过程包含靠近、接触、抬离等阶段，但已有研究[1,2]仅用“感应起电”解释了其中抬离的阶段。本文将“静电飞花”细分为五个阶段：(1)金属板从高处往下靠近KT板(生活中常称“泡沫板”)但未接触；(2)金属板和KT板第一次接触；(3)金属板抬离KT板的一瞬间；(4)金属板和KT板第二次接触并抬离；(5)用手触摸金属板上端再抬离金属板。从“接触起电”和“感应起电”两方面进行原理分析，更加全面深入地解释了“静电飞花”实验现象。

1 器材选取

摩擦起电的本质是不同材料在摩擦过程中得失电子的能力不同，产生“电子的转移”。生活中常见物质静电序列如下(越在前面的越易失去电子)：空气、玻璃、有机玻璃、尼龙、羊毛、丝绸、赛璐珞、棉织品、纸、金属、黑橡胶、涤纶、维尼纶、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、二氧化硅、聚四氟乙烯。序列中的某一物质与它后面的物质摩擦前者带正电，后者带负电。一般在静电序列中两种物质所居位置离得越远越容易起电，相同条件下的起电量也越多。

已有研究选用有机玻璃板和气泡膜摩擦起电[1]或者手帕和塑料袋摩擦起电[2]，结合上述排序和考虑到易操作性，本文选用KT板和羊毛皮作为摩擦起电的材料，实验效果较好。因为KT板的表面有PVC面皮，其原料为聚氯乙烯，根据排序可知其相比于有机玻璃更易得到电子，且生活中应用广泛容易获得。

本实验所用器材：KT板、羊毛皮、带绝缘柄的金属板、小纸屑。实验装置如图1所示。

图1 实验装置图

2 实验过程及现象解释

首先用毛皮摩擦KT板，然后按如下五个阶段进行操作，并对每个阶段现象进行原理分析。

2.1 第一阶段：金属板从高处往下靠近KT板但未接触

操作与实验现象：将盛有纸屑的金属板从高处慢慢地往下靠近KT板，注意不要与KT板接触。发现随着金属板与KT板间距离的减少从金属板飞出的纸屑逐渐增多，但是总体来说并不多，如图2所示，对此现象的原理分析如下。

图2 第一阶段实验现象

实验原理：如图3所示，摩擦后KT板带负电，将金属板从高处往下靠近KT板但未接触时，金属板下表面感应出正电荷，上表面带负电荷。由于纸屑不是一一排列在金属板上，而是杂乱无章地堆叠在一起，部分纸屑和金属板接触，而另外的纸屑未接触。相接触的纸屑由于“粘”上负电荷而带上负电，而未接触的纸屑在电场作用下会发生极化，近板端带正电，远板端带负电，纸屑飞出就是因为同种电荷相互排斥。该起电过程仅涉及感应起电。

图3 第一阶段实验原理

2.2 第二阶段：金属板和KT板第一次接触

操作与实验现象：将金属板和KT板接触，当两板接触的一瞬间，发现较多纸屑飞出，如图4所示，对此现象的原理分析如下。

图4 第二阶段实验现象

实验原理：如图5所示，由于KT板并不是完全平整的，而是凹凸不平的，所以两板接触时，并不是完全贴合。在金属板和KT板相接触的位置，KT板由于摩擦所带的负电荷传递至金属板，使金属板整体带负电；在两者未接触的位置，两者之间发生感应起电，即金属板下表面带正电，上表面带负电。在接触的一瞬间，由于金属板上表面负电荷的增多，所以和金属板上表面接触的纸屑带的负电荷增多，而未接触的纸屑的极化强度增强，此时有较多的纸屑飞出。剩下的纸屑未飞出去而在金属板上保持静止是因为纸屑很薄，金属盘上表面与纸屑几乎在同一个平面内，所以除了纸屑正下方的电荷外，金属盘中其他部位的电荷对纸屑的排斥力方向几乎是水平的，因此纸屑所受向上的合外力很小。并且此时金属板下表面感应产生的正电荷对其有吸引，此时两板间的感应强度最大，即吸引力也是最大的。所以纸屑所受向下的合外力大于向上的合外力，导致纸屑静止在金属板上。该起电过程涉及“感应起电”和“接触起电”。

图5 第二阶段实验原理

2.3 第三阶段：金属板抬离KT板的一瞬间

操作与实验现象：将金属板抬离KT板。当将金属板抬离KT板的一瞬间，发现有少量纸屑飞出，如图6所示，对此现象的原理分析如下。

图6 第三阶段实验现象

实验原理：如图7所示，当金属板抬离时，两板间的感应强度变弱，电荷重新分布，下表面感应的正电荷减少，对纸屑的吸引力减小，并且由于金属板此时带负电，同种电荷的相互排斥，从而导致少量纸屑飞出。纸屑飞出之所以较少是因为KT板传递至金属板的电子在两板接触时就已发挥作用促使纸屑飞出，金属板抬离时，所带负电已较少。该起电过程仅涉及“感应起电”。

图7 第三阶段实验现象

2.4 第四阶段：金属板和KT板第二次接触并抬离

操作与实验现象：金属板和KT板第一次接触后，将金属板持续抬离至没有纸屑飞出，再将其往下接触KT板然后抬离，发现几乎没有纸屑飞出，如图8所示，对此现象的原理分析如下。

图8 第四阶段实验现象

实验原理：金属板第二次和KT板接触几乎没有纸屑飞出是因为在第一次接触时，KT板已将大量电子传递给金属板，由于是人为放置金属板，所以每次两板接触的位置不尽相同。例：如图9所示，第一次接触时，位置1、3、5、7将电子传递给金属板，第二次接触时，位置2将电子传递给金属板，随着接触的次数增多，几乎没有电子的传递，即“接触起电”强度不断减弱至无法产生纸屑飞出的现象。该起电过程涉及“感应起电”和“接触起电”。

图9 第四阶段实验原理

2.5 第五阶段：用手触摸金属板上端再抬离金属板

操作与实验现象：当没有纸屑飞出后，将金属板放在KT板上，用手触摸金属板的上表面，再次抬起金属时，发现有大量纸屑重新飞出，如图10所示，对此现象的原理分析如下。

图10 第五阶段实验现象

实验原理：如图11所示，当用手触摸金属板时会有触电的感觉，上表面的电荷通过指尖流走，此时上表面不带电，当抬起金属板，电荷重新分布，上表面带正电导致纸屑带上正电，由于同种电荷的排斥，纸屑大量飞出，该起电过程仅涉及“感应起电”。

图11 第五阶段实验原理

3 总 结

本文在已有的“静电飞花”研究基础上进行了更全面深入的研究，根据实验现象将该实验过程分为五个阶段进行原理分析，对每个阶段的现象及原理做了阐述，创新性地考虑了“接触起电”对现象的影响。物理是一门以实验为基础的学科，只有全方位剖析每个物理实验背后隐藏的原理，才能更准确地把握物理知识，感受物理魅力。