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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