高中物理静电实验的分析与改进

倪静怡

摘   要：电学是高中物理的重要组成部分，该部分知识容量大、定理多、抽象度高，是高中物理教学的难点。静电实验则因其形象、生动、直观等特点，能较好地突破难点。但静电实验由于受到绝缘性、环境等多方面因素的影响，成功率较低。文章阐述了静电实验的特点，分析影响静电实验成败的因素，并提出了部分实验的改进方案。

关键词：静电实验；漏电；绝缘

早在公元前600年的古希腊，人们便开始关注静电现象。16世纪，英国物理学家、医学家吉尔伯特是第一个以较完善体系研究静电的人，在他写成的《伦磁》中，叙述了对静电现象的研究内容。18世纪中旬，美国物理学家富兰克进行了著名的“风筝-雷电”试验，解释了闪电的成因。18世纪后期，贝内特发明了验电器，近似地测量出物体所带的电量。此外，库仑利用其设计的库仑扭秤推导出了库仑定律[ 1 ]。之后，大量的物理学家利用扭秤和验电器，从定性的静电现象研究转向定量的研究。从此，人们在对各种自然现象的观察以及研究总结后，对静电实验有了一定水平上的认知了解。

电学是高中物理的教学难点，该部分知识容量大、定理多、抽象度高，而静电实验的优点恰恰在于能将抽象的电学知识形象化，降低学习难度。可惜静电实验受到了各种因素的影响，其实验现象不明显，实验结果不稳定。为此，本文分析了静电实验的失败原因，并尝试对其加以改进，希望静电实验能在教学中发挥其应有的作用。

1  静电实验的特点及影响实验成败的因素

静电实验的基本特点是：电压高电量少。实验室中最常见的摩擦起电都能产生上千伏的电压，更不用说感应起电机产生的电压甚至高达5万多伏。在高电压的作用下，常见的绝缘体往往会变成导体，从而发生漏电现象，并且静电实验产生的电荷量都很少，大多只有10-6 C，由于漏电现象，其产生的电荷很快便消失了[ 2 ]。

结合静电实验“压高量少”的特点，绝缘问题和漏电问题便成了决定静电实验成败的两个关键点。

1.1  绝缘性

静电实验的特点是：高电压，小电荷。绝缘体在高压下极易转化为导体，从而发生快速漏电现象。因此，材料的绝缘性是影响实验成败的关键因素。材料的绝缘性能首先与材料本身有关。另外，绝缘部件的老化，材料表层粘有水分、杂质等也会在很大程度上影响材料的绝缘性能。笔者在实验中发现，石蜡是一种绝缘性能好且不易吸附水分杂质的绝缘材料，但其缺点在于天热时容易变软。为此，笔者将石蜡包裹于洗净晒干的有机玻璃表面，便制成了硬度强、绝缘好且不被水浸润的绝缘材料，用其作为支架、手柄，实验效果良好[ 3 ]。

1.2  环境

静电实验不同于其他实验，空气中的湿度、温度等环境条件也是决定静电实验是否能成功的直接因素。一般情况下，在相对湿度大于70%，温度高于40 ℃时，静电实验的失败率较高。因此，在进行静电实验前，可以通過日晒、烘烤、吹风机、红外线灯等工具保持其干燥度，需要注意的是不论用什么方法，仪器表面的温度都不能超过50 ℃，从而防止仪器的老化[ 4 ]。另外，如果是晴天，还可以开窗通风保证室内空气的干燥。

2  静电实验的改进

结合静电实验的特点以及影响因素，笔者对高中物理教学中的部分静电实验进行了改进，现举例说明如下。

2.1  摩擦起电实验的改进

摩擦起电是人类最早发现的与电有关的现象，也是最为常见的起电方式之一。学生在初中时已经学习过了摩擦起电，但对其内部原理掌握得还不够熟悉。在学习电学初期，给学生展示一些摩擦起电的实验，可以唤醒学生的记忆，减小学生对电学知识的畏惧感。

在中学课堂中，通常会用验电器去检验摩擦后的物体是否带电（如图1）[ 5 ]，但实验现象往往不太明显甚至毫无现象。这是由于摩擦产生的电量少且在不够干燥的天气里易于流失。

那么，如何获取较多电量呢？笔者在实验中发现了两种效果较好的起电材料：（1）准备两块包装用的白色泡沫塑料，其中一块平整地包上尼龙布。摩擦后的两塑料板，包尼龙布的带正电，不包的带负电。也可将尼龙布换成塑料膜，同样与另一块摩擦，包塑料膜的带负电，不包的带正电[ 6 ]。（2）光盘是性能良好的绝缘材料，用不掉毛的毛皮摩擦整个光盘，可以获得较大电量，即使与手碰触也不易漏电。值得注意的是：在做摩擦起电的实验时，材料间不宜多次往复摩擦，只需单向摩擦两到三次即可，摩擦过后应迅速分离。

另外，静电计的漏电问题也是导致实验效果不佳的另一因素。长期暴露在空气中的静电计表面往往附着有尘埃、水分等物质，从而使其绝缘性减弱。除了在静电计的底部垫上绝缘物质防止外壳上的电量被大地中和，还需要防止指针与外壳连接处的绝缘塞的漏电现象。具体做法是：选用绝缘性能好的有机玻璃作为绝缘塞，并在外壳与绝缘塞之间熔上一层石蜡。经过这样处理的静电计，即使遇上潮湿的天气，漏电速度也大幅降低。此外，还可以使用验电笔中的氖泡代替静电计。由于静电实验中产生的电压远高于一般氖泡的起辉电压（60 V），将氖泡的1个电极沿白色泡沫塑料或者光盘表面缓慢移动，在昏暗的房间内会发出断断续续的闪光，并同时伴有噼里啪啦的放电声[ 7 ]，能大大提高实验的趣味性。

成功的实验不仅能让学生充分地认识摩擦起电现象，还能够让学生从现象中催生新问题：摩擦是如何让物体带上电荷的？学生的思维由此而展开。实验中，学生学会了观察和思考，学会了应用知识去解释生产和生活中的现象，培养了学生热爱科学、勇于探索的精神。

2.2  感应起电实验的改进

感应起电是使物体带电的另一种常见方法。学生在生活中接触过感应起电，比如：带电物体吸引通草小球等，但由于未对现象进行深入剖析，学生并不知道这里面包含有感应起电的知识。不仅如此，对于感应起电，还需要深入剖析接地、两导体分开、移走外部带电体等情况，学生常常觉得抽象难懂。因此，需要通过实验为学生累积感性素材，化解难度。

图2是人教版教材所提供的感应起电的实验装置。该实验能很好地演示感应起电，但由于教室内的学生多，呼出的水汽多，空气湿度大，金属箔片上的电荷难以聚集。因此，当带电体C靠近枕形导体时，金属箔片张开的角度不大。A和B分开后，金属箔片更是很快闭合，致使后续实验难以进行。

为了提高实验的成功率，笔者对实验装置进行了以下改进：（1）增加带电体C的电量：最初的想法是将感应起电机与带电体C相连并让C靠近导体A，但起电机的高电压容易使周围的空气被击穿，使C向空气放电，从而使导体A和B都带上正电。因此，必须选取带电量大且电压较低的带电体，为此笔者选用了PVC管，通过摩擦起电的方式使其带电，以此来替代带电体C。（2）减小金属箔片的漏电速度：首先，用金属易拉罐代替枕形导体A和B，以此来减小由于枕形导体表面不够光滑引起的放电现象。接着，取下验电器顶端的金属球，换上法拉第圆桶，让法拉第圆桶与易拉罐的底面充分接触并用胶枪将其固定（如图3）。由于验电器的外围存有玻璃，使验电器内的金属片和潮湿的空气隔离开来，金属片的漏电速度大大降低，张角明显。

通过对实验装置的合理优化，学生经历了感应起电的探究过程，透过现象从微观角度理解了感应起电的内在作用规律，揭开了感应起电的神秘面纱。良好的实验结果能够化解知识上的难点，帮助学生实现知识的内化，培养学生的实验探究能力，促进核心素养的形成。

2.3  平行板电容器实验的改进

电容器是电学的重要仪器，广泛地应用于各种电子元件中。虽然与学生的生活紧密相关，但由于它大多存在于电子元件内部，学生在生活中很少与之直接接触，对其功能与性质都较为生疏。因此，实验是学生了解电容器，探究其特性的必备手段。

图4为定性探究平行板电容器的电容值C与哪些因素有关的实验装置。该实验也是极难成功的一个静电实验，其原因在于：金属板的漏电现象、尖端放电现象和静电计的绝缘性能不佳。教科书中将该实验安排在得出电容的定义式之后，可以让学生利用刚学过的知识去分析和解决实际问题。既探究出了新知识，又加深了对旧知识的理解。为此，笔者采用了教材中的实验方案，并对实验进行了以下改进：

（1）为防止尖端放电，该实验选用两圆形金属板，并用塑胶包边，胶条包在金属板周围（留出一小口用于固定导线），再将胶条用透明胶带固定好。实验之前，用吹风机将金属板吹干。对于极板下面的绝缘支撑物，洗净烘干后用石蜡包裹表面，减慢金属板的放电速度。该实验中，用来固定导线的鳄鱼夹的尖端放电现象也是影响实验效果的重要因素。为此，可用小圆形的强磁铁代替鳄鱼夹，将导线压在留出的小口处。

（2）该实验中，感应起电机使静电计的两极间带上了高压，静电计的绝缘性能大大降低。实验前必须对静电计的橡皮塞按"摩擦起电"实验中提供的方法加以处理。

（3）在研究电容值C与介电常数ε的关系时，应先将两极板间的距离调整至一适当值（距离太小介质插入时容易碰触到极板，距离太大实验现象不太明显）。大量实验表明，插入介质前，两极板间的距离d=6 cm效果较好。对于实验中使用的介质，可以采用较厚的塑料板，并使塑料板与两极板平行。

（4）在研究电容值C与两极板间距d的关系时，为了保证金属板能平行移动，可将两极板安于轨道上，将电容器的一极板相对于另一极板移动适当的距离，移动时应迅速。

课堂上，学生像科学家一样进行探索，通过观察、实验等方法获取知识，培养了观察、分析、归纳的能力，学生的科学思维和科学探究能力都得到了锻炼。

总之，静电实验因其生动、直观等特点，将抽象的电学知识形象化，不但降低了教学难点，还激发了学生的好奇心，培养了学生的逻辑思维能力。因此，静电实验是电学的教学重点，但其受到绝缘性和环境因素的影响，又是实验教学中的最大难点。笔者根据平时的教学经验，对影响静电实验成败的因素加以分析，并提出改进方案。物理教师应不断总结经验，大胆创新，使电学实验成为课堂教学中的一大亮点。

参考文献：

［1］ 史小红.静电实验教学探索[J]. 中国校外教育，2011（8）：105.

［2］ 周小燕.中學物理静电演示实验研究[J].物理实验，2014，34（1）：15.

［3］ 吴永熙，王明怡，刘军.谈谈静电实验[J].大学物理，2002（2）：37-38.

［4］ 陈宁宁.怎样做好静电演示实验[J].物理通报，2006（12）：25.

［5］ 史小红.静电实验教学探索[J].中国校外教育，2011（8）：105.

［6］ 蒋铁民，陈旭.改进静电实验的探索[J].物理教师，1990（3）：27-28.

［7］ 周俊宏.趣味性静电实验研究[J].科技资讯，2016，14（11）：86.