靜電實驗教學探索論文

靜電實驗教學探索論文

　　論文關鍵詞：靜電靜電實驗靜電產生

　　論文摘要：靜電實驗是物理實驗的重要組成部分。敘述了靜電產生的原因和特點，分析影響實驗成功的各種因素，討論了在實踐中抓住主要矛盾是確保實驗教學成功的關鍵。

　　靜電實驗是物理實驗的重要組成部分，而且屬于較難在課堂上駕御的物理演示實驗，原因是影響靜電實驗成敗因素頗多。因此，就要求教師既要從理論上掌握靜電產生的原因和特點，又要在實踐中研究靜電實驗的規律，分析影響實驗的各種因素，抓住主要矛盾，有針對性地解決問題。方能在一個具體實驗環境條件下，把握試驗關鍵，確保靜電實驗成功。

　　一、靜電研究的歷史

　　古代人們對自然界中的各種電現象，不了解他們內在的聯系，認為它們是各不相干的。有些現象實在無法解釋，只能求助于神的力量。16世紀英國御醫吉爾伯特是第一個比較系統地研究了靜電現象的人，吉爾伯特的工作停留在定性的階段，進展不快。1752年，美國社會活動家富蘭克林用風箏將雷電引下來，把“天電”收集到萊頓瓶中，從而弄明白“天電”和“地電”原來是一回事。18世紀后期，貝內特發明驗電器，這種儀器一直沿用到現在。它可以近似地測量一個物體上所帶的電量。另外，庫侖發明了扭秤，用它來測量靜電力，推導出了庫侖定律。科學家使用了驗電器和扭秤以后，靜電現象的研究工作就從定性走到了定量的道路。經過長期對自然現象的觀察和研究，人們對靜電現象有了一定程度的認識。但是對電的本質問題，一直到研究物質結構后，才算比較清楚。

　　二、靜電中的電荷本質

　　電荷本身不是物質，但電荷與物質不可分離，自然界不存在脫離物質而單獨存在的電荷，電荷是物質的固有屬性之一，它有正電荷與負電荷兩種，同種電荷相排斥，異種電荷相吸引。導體上所帶的電荷是可以自由移動的自由電荷，以傳導方式實現電荷的轉移；而絕緣體帶電情況與導體帶電情況大不相同，絕緣體所帶的電荷是以束縛電荷的形式出現，不能以傳導方式轉移，而是以放電形式實現轉移。所以，帶電的絕緣體與導體接觸后，導體上所得到的電荷是通過放電形式轉移而來的，即金屬中的電子在強電場作用下，從金屬表面逸出，導體表面電荷集中部分最易發生這種現象。我們通過接觸可以實現絕緣體與帶電體上電荷的轉移，但其本質上不是傳導而是放電，這個問題的正確理解，有助于我們理論上正確分析靜電產生的原因。通常物體由原子組成，原子中有帶正點的原子核和帶負電的電子，由于正、負電荷相等，一般物體呈中性而不帶電。但當物體經過摩擦、加熱、感應、照射等變化，往往使物體獲得或失去一些電荷（電子），呈現帶靜電狀態。由此可見，靜電產生是具有多樣性和復雜性。

　　三、實驗中靜電的'產生

　　1.摩擦帶電是課堂教學中最常用的起電方法。兩種不同物質互相接觸時，由于兩種物質原子核外電子分布的不同，兩者之間就存在著一個電位差，叫接觸電位差。因電位差存在，常常有電子從一個物體轉移到另一物體，從而使前者帶正電，后者帶負電。兩物體相互摩擦，摩擦的作用使兩物體接觸的點增多，接觸更緊密，從而增加電子轉移的機會，加之摩擦溫度升高，加速了電子轉移。但是，從物理本質上來講，摩擦帶電是一種接觸帶電，相互接觸緊密時的接觸電位差是主要矛盾，相互摩擦的兩種材料之間擠壓的越緊，越容易實現電子在兩種材料的轉移而使之帶電，而只有快速．反復而不緊壓的摩擦是不易生電的，有經驗的教師是用緊壓的摩擦來成功使物體帶電的。   實驗中有時用絲綢摩擦兩根玻璃棒，卻得到兩玻璃棒帶電性質相反的反常現象。研究后認為，用絲綢摩擦第一根玻璃棒，因玻璃棒失掉電子而帶正電，絲綢得到電子帶負電，在空氣特別干燥時，絲綢上的電子不易漏失。當與第二根玻璃棒一起摩擦時，由于摩擦次數較少或較輕，不僅沒有使玻璃棒失掉電子，反而把絲綢上的多余電子轉移到玻璃棒上，使第二根玻璃棒帶負電，發生兩棒相吸現象，為防止反常現象發生，第二次絲綢與玻璃棒摩擦起電前，應用手充分與絲綢接觸，使絲綢原先所帶負電荷放凈后，再于玻璃棒摩擦。

　　2.感應帶電也是靜電實驗中較常用的方法。靜電感應是靜電場中的導體內，自由電荷受到場力作用移動，電荷重新分布，最后達到靜電平衡，從而使導體不同部位出現正、負電荷的現象。感應帶電是在靜電感應的條件下，使導體的一端接地后，去掉靜電場，則導體另一端的電荷重新分布在導體表面，用這種方法使導體帶電的優點是：導體容易帶電且帶電量也易控制，需注意導體是處于與地絕緣狀態。

　　3.實驗中注意靜電的特征

　　靜電具有高電壓特征。例如，人在地毯行走或從椅子上起立時，人體靜電電壓可高達一萬多伏，靜電的電量小、電容小。為什么電壓高呢？原來兩導體之間的電容、電壓與其上電量之間保持U=Q/C的關系，而C=εS/d．如果介電常數ε,極板面積S保持不變，則電容與極板間距離成反比。舉例說明：如兩物體緊密接觸時，其間距離為25×10-8厘米，其接觸電位差很小，當兩物體迅速離開至0.1厘米時，由于距離增大為原來的40萬倍，電容則減小為原來的40萬分之。如果分離前后物體上電量保持不變，電壓將升為原來的40萬倍。即使接觸電位差只有0.01伏，分離至0.1厘米時電壓可達4千伏。因此，數萬伏靜電壓就不足為奇了。由此分析，不難看出，靜電的高壓特征主要來自電容，而不是來自電量。故其電量小，但電壓高。

　　靜電在高電壓的特征下，對絕緣體材料性能的要求相應也很高。有些教師在流電實驗范圍形成的絕緣體概念，在靜電范圍許多材料卻是亞導體，電荷易漏失，導致實驗失敗。因此靜電實驗要求使用高電阻率的絕緣材料。一般電阻率為107歐姆米以下的物體，在靜電范圍都屬靜電導體，而電阻率為107獈1014歐姆米的物體只能算亞導體。靜電絕緣體，一般指電阻率為1014歐姆米以上的物體。因此，靜電實驗中，要選好用的靜電絕緣體。如：有機玻璃，各種塑料，硬泡沫塑料，石蠟等等，而不能用亞導體：棉線，紙張，木材，橡膠，膠木，玻璃等做絕緣體，認識這一點是查找靜電實驗失敗原因的關鍵。

　　在靜電實驗中，影響實驗成功的因素：一是空氣濕度，二是儀器的絕緣性能，絕緣材料表面受潮，不清潔導致其絕緣性能下降致使實效差或根本做不出來。解決的方法是，在潮濕的天氣條件下，在實驗前和實驗過程中，最好用鎢燈烘烤。經過研究發現，空氣濕度對靜電的影響處于次要地位，而儀器的絕緣性能處于主要地位。為解決這個主要矛盾，需要改善儀器絕緣性能，一是用清潔劑將儀器洗凈，清除雜質，增加絕緣性。二是改善儀器中關鍵的絕緣元件的絕緣性。儀器的清潔是靜電實驗成功的重要因素。

　　總之，每個教師要確保課堂教學成功，就必須對教學內容有更深層次的理解。即“知其然，更知其所以然。”靜電實驗教學的成功，要求教師既要從理論上掌握靜電產生的原因和特點，又要在實踐中研究靜電實驗的規律，要在理論和實踐中不斷提高自己，才能確保靜電實驗教學的成功。

　　參考文獻：

　　[1]陳啡暇.材料物理性能[M].北京：機械工業出版社，2006.

　　[2]馬文蔚.物理學[M].北京：高等教育出版社，1978.

　　[3]張瑞琨.教學全書物理卷[M].上海：上海教育出版社，1996.