如何做好中學(xué)物理的靜電教學(xué)實(shí)驗(yàn)

   如何做好靜電實(shí)驗(yàn)【[i]】呢？中學(xué)物理靜電實(shí)驗(yàn)一般包括二類：一類是所謂的摩擦起電，一類是應(yīng)用高壓靜電源（主要是感應(yīng)起電機(jī)）所做的各種實(shí)驗(yàn)。它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是“高電壓，微電量”，用玻璃棒、橡膠棒分別與絲綢和毛皮摩擦，可產(chǎn)生 數(shù)千伏甚至上萬伏靜電，其電量的庫侖值卻只有10^-9～10^-6數(shù)量級。而感應(yīng)起電機(jī)，在適宜的溫度和相對濕度下，可產(chǎn)5～8萬伏電壓， 而范氏靜電起電機(jī)可以產(chǎn)生幾十萬伏靜電，但電量卻只有約10*10^-6C。由于靜電實(shí)驗(yàn)具有上述特點(diǎn),因此,“絕緣”、“環(huán)境條件”、“實(shí)驗(yàn)裝置與方法”是靜電實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。

一、絕緣是靜電實(shí)驗(yàn)首要考慮的問題。從理論上講，任何倆種不同質(zhì)的物體相互接觸摩擦都會有靜電產(chǎn)生，在靜電實(shí)驗(yàn)過程中，儀器及其裝置往往是在高電壓、低電量的狀況下工作，極容易通過空氣、絕緣體內(nèi)部及其表面三條路經(jīng)將電荷泄露，而且是一漏即“完”。所以絕緣是靜電實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。目前，較理想的絕緣材料是有聚四氟（塑料王），一般靜電實(shí)驗(yàn)裝置，應(yīng)盡可能用 聚四氟進(jìn)行絕緣。

二、環(huán)境與條件。溫度、濕度及電場數(shù)值是保證靜電實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行的重要前提。靜電實(shí)驗(yàn)不同于其他教學(xué)實(shí)驗(yàn)，環(huán)境與條件乃是影響其效果和成敗的直接因素。由于空氣中存在的離子和電子等帶電粒子的相互撞擊與帶電體電荷的復(fù)合以及空氣中因放電而產(chǎn)生的大量帶電粒子與絕緣體上所帶電荷的中和。使空氣成為帶電體表面電荷泄露的一條主渠道。同時(shí)，如果環(huán)境的溫度、濕度不宜，就會有過多的水分子與空氣中的宇宙射線和紫外線等產(chǎn)生的離子附著在絕緣體的表面上，導(dǎo)致其絕緣性能的大大降低，造成電荷的自然泄漏。經(jīng)驗(yàn)證明，一般的靜電實(shí)驗(yàn)應(yīng)在溫度不高于30C、相對濕度不大于50%的環(huán)境里進(jìn)行為宜，這是因?yàn)橐话愕慕^ 緣物體表面，在相對濕度達(dá)到60%就容易吸附空氣中的水分子在其表面形成“水膜”，水膜中的大量帶電載流子（或離子）在界面移動(dòng)（或擴(kuò)散），造成絕源體表面的電荷泄漏。 在通常環(huán)境下，濕度和溫度有相互的聯(lián)系，氣溫越高，濕度就越大，既空氣中飽和水汽的密度就越大，泄電的機(jī)會就越多。靜電實(shí)驗(yàn)冬季較夏季的效果好原因就在于此，此外，一個(gè)坐滿學(xué)生的教室，如果沒有良好的通風(fēng)，室內(nèi)相對濕度較大，也可導(dǎo)致儀器絕緣電阻下降，影響了實(shí)驗(yàn)效果。 在溫度、濕度適宜的環(huán)境條件下，靜電電荷可以在性能良好的絕緣介質(zhì)上長期滯留，但是，靜電所產(chǎn)生的電場如果超過某一數(shù)值，絕緣就會遭到破壞，使靜電荷迅速泄漏，一般氣體的破壞場強(qiáng)較固體或液體為小，所以氣體中容易產(chǎn)生放電，這一點(diǎn)是做靜電實(shí)驗(yàn)時(shí)必須認(rèn)真考慮的問題。

三、實(shí)驗(yàn)裝置與方法—實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)以及正確的操作方法對靜電實(shí)驗(yàn)成敗也極為重要。以 摩擦起電為例，一般來說，兩個(gè)物體相互摩擦或者接觸時(shí)，其中一個(gè)物體失去一些電子，其體內(nèi)的正電荷多于負(fù)電荷，表現(xiàn)為帶正電，而另一個(gè)物體則獲得一些電子，其體內(nèi)的負(fù)電荷總數(shù)多于正電荷，表現(xiàn)為帶負(fù)電，這種正負(fù)電荷分離與轉(zhuǎn)移的過程，又由于其物質(zhì)種類不同而帶電極性和帶電量大小也不同，而且又和物資的純度、表面狀態(tài)、摩擦力大小等一系列條件有關(guān)。所以，在進(jìn)行摩擦起電實(shí)驗(yàn)時(shí)，還必須保持足夠的接觸壓力、接觸面積和接觸時(shí)間。我們在用橡膠棒與毛皮摩擦產(chǎn)生電荷時(shí)，在摩擦過程中，應(yīng)壓緊并盡量使各部位受力均勻。

設(shè)計(jì)靜電實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，在儀器位置、測試距離、帶電體連接、相互絕源以及操作者的方位等方面都必須有嚴(yán)格的要求，一般被測帶電體要安置在絕緣性能較好的支架上，帶電體的連接一般用螺旋型導(dǎo)線（漆包線、裸銅線或金屬鏈條等）懸空連接或用專用的連接桿及放電叉。

綜上所述，中學(xué)物理常規(guī)的靜電教學(xué)實(shí)驗(yàn)，只要認(rèn)真搞好實(shí)驗(yàn)儀器的絕緣，并注意環(huán)境條件以及實(shí)施正確的裝置和操作方法，均可獲得比較滿意的效果。

參考資料：

[1]  黃久生 經(jīng)典靜電學(xué)史與現(xiàn)代靜電技術(shù)，物理  1997年01期

[2] 鹿煒鋒 淺​議​怎​樣​做​好​中​學(xué)​物​理​靜​電​實(shí)​驗(yàn)，物理通報(bào)  2008

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