静电实验教学探索论文

时间:2021-08-31

  论文关键词:静电静电实验静电产生

  论文摘要:静电实验是物理实验的重要组成部分。叙述了静电产生的原因和特点,分析影响实验成功的各种因素,讨论了在实践中抓住主要矛盾是确保实验教学成功的关键。

  静电实验是物理实验的重要组成部分,而且属于较难在课堂上驾御的物理演示实验,原因是影响静电实验成败因素颇多。因此,就要求教师既要从理论上掌握静电产生的原因和特点,又要在实践中研究静电实验的规律,分析影响实验的各种因素,抓住主要矛盾,有针对性地解决问题。方能在一个具体实验环境条件下,把握试验关键,确保静电实验成功。

  一、静电研究的历史

  古代人们对自然界中的各种电现象,不了解他们内在的联系,认为它们是各不相干的。有些现象实在无法解释,只能求助于神的力量。16世纪英国御医吉尔伯特是第一个比较系统地研究了静电现象的人,吉尔伯特的工作停留在定性的阶段,进展不快。1752年,美国社会活动家富兰克林用风筝将雷电引下来,把“天电”收集到莱顿瓶中,从而弄明白“天电”和“地电”原来是一回事。18世纪后期,贝内特发明验电器,这种仪器一直沿用到现在。它可以近似地测量一个物体上所带的电量。另外,库仑发明了扭秤,用它来测量静电力,推导出了库仑定律。科学家使用了验电器和扭秤以后,静电现象的研究工作就从定性走到了定量的道路。经过长期对自然现象的观察和研究,人们对静电现象有了一定程度的`认识。但是对电的本质问题,一直到研究物质结构后,才算比较清楚。

  二、静电中的电荷本质

  电荷本身不是物质,但电荷与物质不可分离,自然界不存在脱离物质而单独存在的电荷,电荷是物质的固有属性之一,它有正电荷与负电荷两种,同种电荷相排斥,异种电荷相吸引。导体上所带的电荷是可以自由移动的自由电荷,以传导方式实现电荷的转移;而绝缘体带电情况与导体带电情况大不相同,绝缘体所带的电荷是以束缚电荷的形式出现,不能以传导方式转移,而是以放电形式实现转移。所以,带电的绝缘体与导体接触后,导体上所得到的电荷是通过放电形式转移而来的,即金属中的电子在强电场作用下,从金属表面逸出,导体表面电荷集中部分最易发生这种现象。我们通过接触可以实现绝缘体与带电体上电荷的转移,但其本质上不是传导而是放电,这个问题的正确理解,有助于我们理论上正确分析静电产生的原因。通常物体由原子组成,原子中有带正点的原子核和带负电的电子,由于正、负电荷相等,一般物体呈中性而不带电。但当物体经过摩擦、加热、感应、照射等变化,往往使物体获得或失去一些电荷(电子),呈现带静电状态。由此可见,静电产生是具有多样性和复杂性。

  三、实验中静电的产生

  1.摩擦带电是课堂教学中最常用的起电方法。两种不同物质互相接触时,由于两种物质原子核外电子分布的不同,两者之间就存在着一个电位差,叫接触电位差。因电位差存在,常常有电子从一个物体转移到另一物体,从而使前者带正电,后者带负电。两物体相互摩擦,摩擦的作用使两物体接触的点增多,接触更紧密,从而增加电子转移的机会,加之摩擦温度升高,加速了电子转移。但是,从物理本质上来讲,摩擦带电是一种接触带电,相互接触紧密时的接触电位差是主要矛盾,相互摩擦的两种材料之间挤压的越紧,越容易实现电子在两种材料的转移而使之带电,而只有快速.反复而不紧压的摩擦是不易生电的,有经验的教师是用紧压的摩擦来成功使物体带电的。   实验中有时用丝绸摩擦两根玻璃棒,却得到两玻璃棒带电性质相反的反常现象。研究后认为,用丝绸摩擦第一根玻璃棒,因玻璃棒失掉电子而带正电,丝绸得到电子带负电,在空气特别干燥时,丝绸上的电子不易漏失。当与第二根玻璃棒一起摩擦时,由于摩擦次数较少或较轻,不仅没有使玻璃棒失掉电子,反而把丝绸上的多余电子转移到玻璃棒上,使第二根玻璃棒带负电,发生两棒相吸现象,为防止反常现象发生,第二次丝绸与玻璃棒摩擦起电前,应用手充分与丝绸接触,使丝绸原先所带负电荷放净后,再于玻璃棒摩擦。

  2.感应带电也是静电实验中较常用的方法。静电感应是静电场中的导体内,自由电荷受到场力作用移动,电荷重新分布,最后达到静电平衡,从而使导体不同部位出现正、负电荷的现象。感应带电是在静电感应的条件下,使导体的一端接地后,去掉静电场,则导体另一端的电荷重新分布在导体表面,用这种方法使导体带电的优点是:导体容易带电且带电量也易控制,需注意导体是处于与地绝缘状态。

  3.实验中注意静电的特征

  静电具有高电压特征。例如,人在地毯行走或从椅子上起立时,人体静电电压可高达一万多伏,静电的电量小、电容小。为什么电压高呢?原来两导体之间的电容、电压与其上电量之间保持U=Q/C的关系,而C=εS/d.如果介电常数ε,极板面积S保持不变,则电容与极板间距离成反比。举例说明:如两物体紧密接触时,其间距离为25×10-8厘米,其接触电位差很小,当两物体迅速离开至0.1厘米时,由于距离增大为原来的40万倍,电容则减小为原来的40万分之。如果分离前后物体上电量保持不变,电压将升为原来的40万倍。即使接触电位差只有0.01伏,分离至0.1厘米时电压可达4千伏。因此,数万伏静电压就不足为奇了。由此分析,不难看出,静电的高压特征主要来自电容,而不是来自电量。故其电量小,但电压高。

  静电在高电压的特征下,对绝缘体材料性能的要求相应也很高。有些教师在流电实验范围形成的绝缘体概念,在静电范围许多材料却是亚导体,电荷易漏失,导致实验失败。因此静电实验要求使用高电阻率的绝缘材料。一般电阻率为107欧姆米以下的物体,在静电范围都属静电导体,而电阻率为107獈1014欧姆米的物体只能算亚导体。静电绝缘体,一般指电阻率为1014欧姆米以上的物体。因此,静电实验中,要选好用的静电绝缘体。如:有机玻璃,各种塑料,硬泡沫塑料,石蜡等等,而不能用亚导体:棉线,纸张,木材,橡胶,胶木,玻璃等做绝缘体,认识这一点是查找静电实验失败原因的关键。

  在静电实验中,影响实验成功的因素:一是空气湿度,二是仪器的绝缘性能,绝缘材料表面受潮,不清洁导致其绝缘性能下降致使实效差或根本做不出来。解决的方法是,在潮湿的天气条件下,在实验前和实验过程中,最好用钨灯烘烤。经过研究发现,空气湿度对静电的影响处于次要地位,而仪器的绝缘性能处于主要地位。为解决这个主要矛盾,需要改善仪器绝缘性能,一是用清洁剂将仪器洗净,清除杂质,增加绝缘性。二是改善仪器中关键的绝缘元件的绝缘性。仪器的清洁是静电实验成功的重要因素。

  总之,每个教师要确保课堂教学成功,就必须对教学内容有更深层次的理解。即“知其然,更知其所以然。”静电实验教学的成功,要求教师既要从理论上掌握静电产生的原因和特点,又要在实践中研究静电实验的规律,要在理论和实践中不断提高自己,才能确保静电实验教学的成功。

  参考文献:

  [1]陈啡暇.材料物理性能[M].北京:机械工业出版社,2006.

  [2]马文蔚.物理学[M].北京:高等教育出版社,1978.

  [3]张瑞琨.教学全书物理卷[M].上海:上海教育出版社,1996.

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