高中物理 《靜電現(xiàn)象的應(yīng)用》文字素材2 新人教版選修3-1（通用）

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1、靜電現(xiàn)象的應(yīng)用 驗(yàn)電器與靜電計(jì) 驗(yàn)電器和靜電計(jì)是研究靜電場特性的兩種重要實(shí)驗(yàn)儀器，但對于這兩種儀器在結(jié)構(gòu)和作用方面的異同，多數(shù)學(xué)生并不十分清楚，甚至存在一些誤解。例如認(rèn)為“只要把驗(yàn)電器的金屬箔換成金屬指針就變成了靜電計(jì)”，驗(yàn)電器可以用來檢驗(yàn)和比較不同帶電體所帶電量的多少”，“靜電計(jì)不能用來測量直流電路中的電勢差”等。對于這些似是而非的認(rèn)識(shí)，有的老師的認(rèn)識(shí)也是模棱兩可，說不清楚。為了澄清上述問題，本文對這兩種儀器在結(jié)構(gòu)和作用方面的差異作簡要辯析。 一、驗(yàn)電器和靜電計(jì)在結(jié)構(gòu)上的差異 如圖1所示為一常用驗(yàn)電器，它的主要結(jié)構(gòu)是一根上端帶有金屬球的金屬棒，在棒的下端懸掛著兩片金箔。當(dāng)帶電體

2、與金屬小球接觸時(shí)，金箔便得到同種電荷，因同性電荷相斥而張開。為了避免氣流的影響，金屬棒和箔片封閉在一個(gè)玻璃瓶中，棒與瓶間有絕緣材料相隔． 如圖2所示為一常用靜電計(jì)，它的結(jié)構(gòu)是在一絕緣底座上裝一金屬圓筒作為外殼，外殼的前面裝有透明玻璃，后面裝有標(biāo)有刻度的毛玻璃，頂端帶有金屬球的金屬桿插入圓筒內(nèi)，金屬桿和圓筒間裝有絕緣套筒，金屬桿下部的水平軸上裝有金屬指針，可繞水平軸靈活轉(zhuǎn)動(dòng)．圓筒的底部有接線柱，可用以接地或與其它導(dǎo)體相連。這樣，靜電計(jì)的金屬外殼與內(nèi)部的金屬桿及金屬指針構(gòu)成了一個(gè)特殊的電容器。當(dāng)內(nèi)部的金屬桿與指針帶電時(shí)，金屬外殼的內(nèi)壁上會(huì)感應(yīng)出異種電荷，使金屬指針不僅受到金屬桿所帶的同種電荷的斥

3、力作用，還受到外殼內(nèi)壁上異種感應(yīng)電荷的引力作用（此時(shí)外殼接地），也就是指針?biāo)茏饔昧Φ拇笮Q定于殼內(nèi)空間的電場強(qiáng)度的大小。而電場強(qiáng)度決定于金屬桿與金屬外殼之間的電勢差，因此其指針張角的大小由金屬桿與外殼間的電勢差來決定。而驗(yàn)電器的外殼為玻璃瓶，當(dāng)殼內(nèi)金箔帶電時(shí)，在玻璃瓶上不會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電荷，至多在內(nèi)外表面上形成極微量的極化電荷，其影響完全可以忽略不計(jì)。故其玻璃外殼與內(nèi)部金屬桿不能共同構(gòu)成電容器。驗(yàn)電器金屬球和金屬桿可看作是孤立的導(dǎo)體，其金箔張角的大小，只決定于金屬球、金屬桿所帶電量的多少，與金屬桿跟外殼間的電勢差無關(guān)，更何況玻璃外殼根本不是一個(gè)等勢體，其內(nèi)外表面及表面上各點(diǎn)電勢并不相等。這就是驗(yàn)

4、電器和靜電計(jì)之間的主要區(qū)別。 二、驗(yàn)電器的主要作用 1．檢驗(yàn)導(dǎo)體是否帶電。 將被檢驗(yàn)導(dǎo)體與驗(yàn)電器的金屬球直接接觸或用導(dǎo)線將二者相連，觀察驗(yàn)電器金箔是否張開，即可判斷導(dǎo)體是否帶電。也可讓被檢驗(yàn)導(dǎo)體不與驗(yàn)電器接觸而只是靠近其金屬球，如果導(dǎo)體是帶電的，由于靜電感應(yīng)，也會(huì)使驗(yàn)電器的金屬球和金箔上分別感應(yīng)出異種電荷而使金箔張開。 2．檢驗(yàn)導(dǎo)體所帶電性。 讓已經(jīng)帶上正電的驗(yàn)電器的金屬球與被檢驗(yàn)導(dǎo)體相靠近，如果驗(yàn)電器的金箔張角變大，說明被檢驗(yàn)導(dǎo)體帶正電，這是由于同性電荷相斥，使驗(yàn)電器金屬球上的電荷向金箔轉(zhuǎn)移而使其張角變大。如果驗(yàn)電器的金箔張角變小，說明被檢驗(yàn)導(dǎo)體帶負(fù)電或者不帶電，這是由于異性電荷相

5、吸，使金箔上的正電荷向金屬球轉(zhuǎn)移而使張角變小。在這種情況下，可讓被檢驗(yàn)導(dǎo)體靠近已知帶上負(fù)電的驗(yàn)電器的金屬球，若金箔張角變大，可確認(rèn)被檢驗(yàn)導(dǎo)體必帶負(fù)電。 3．比較不同導(dǎo)體的電勢高低。 將同一個(gè)原來不帶電的驗(yàn)電器的金屬球分別與帶正電的導(dǎo)體A和B先后連接，觀察金箔張角的大小，則張角大時(shí)所連導(dǎo)體的電勢高。若兩導(dǎo)體均帶負(fù)電，則張角大時(shí)所連導(dǎo)體的電勢低。這是因?yàn)?，帶電體傳給驗(yàn)電器的電量的多少，其實(shí)并不決定于帶電體所帶電量的多少，而是決定于開始未連接時(shí)帶電體和驗(yàn)電器之間的電勢差。開始時(shí)驗(yàn)電器不帶電，我們可以規(guī)定它的電勢為零。驗(yàn)電器的金屬球、金屬桿雖然是孤立的導(dǎo)體，但也有確定的電容（當(dāng)然非常?。?。當(dāng)用導(dǎo)線

6、把帶電體與金屬球連接后，帶電體的電荷流向驗(yàn)電器，使驗(yàn)電器的電勢逐漸升高（或降低），直到驗(yàn)電器與所連導(dǎo)體的電勢相等時(shí)，電荷停止流動(dòng)。顯然帶電體電勢的絕對值越大，傳給驗(yàn)電器的電量就越多，金箔張開的角度就越大。因此，根據(jù)金箔張角的大小，可以定性地比較不同導(dǎo)體電勢的高低。但帶電導(dǎo)體的電勢高，并不等于所帶電量多（因?yàn)槠潆娙莶煌?。因此我們不能根?jù)金箔張角的大小來比較不同帶電體所帶電量的多少，至多可用來比較同一帶電導(dǎo)體在哪一次帶電量較多。 三、靜電計(jì)的主要作用 靜電計(jì)也稱做指針式驗(yàn)電器，這說明它完全具備驗(yàn)電器的各種作用．由于靜電計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)，使得它又具備驗(yàn)電器不能替代的某些作用。 1．定量測量兩導(dǎo)體

7、的電勢差。 將靜電計(jì)的金屬球和金屬外殼分別與被測量的導(dǎo)體用導(dǎo)線連接，例如分別與平行板電容器的正負(fù)極板相連。當(dāng)電荷停止移動(dòng)后，靜電計(jì)的金屬桿與外殼之間的電勢差，跟平行板電容器兩極板間的電勢差相等。由于靜電計(jì)也是一個(gè)電容器，其指針?biāo)鶐щ娏扛羔樅屯鈿らg的電勢差成正比，電勢差越大，指針帶電量越多，張開的角度也越大，所以根據(jù)指針?biāo)缚潭?，可以定量地知道指針與外殼間的電勢差，也就知道了平行板電容器兩極板間的電勢差。由于靜電計(jì)的電容量很小，所獲得的電量與平行板電容器原來所帶電量相比較可以忽略不計(jì)，故可認(rèn)為測量前后平行板電容器所帶電量基本不變，兩板電勢差也基本不變。 2．定量測量某導(dǎo)體的電勢。 把靜電

8、計(jì)的外殼接地，金屬球和被測導(dǎo)體相連，那么金屬指針?biāo)缚潭染捅硎緦?dǎo)體和地之間的電勢差。取大地電勢為零，此讀數(shù)則可表示該導(dǎo)體的電勢。 3．測量直流電路中的電勢差。 既然靜電計(jì)本身也是一個(gè)電容器，那么把靜電計(jì)并聯(lián)在直流電路中電勢差不為零的兩點(diǎn)時(shí)，靜電計(jì)就會(huì)被充電，其指針就應(yīng)該偏轉(zhuǎn)。但實(shí)際上在一般直流電路中，由于電壓較小，使靜電計(jì)所帶電量很小，指針的偏轉(zhuǎn)角度幾乎覺察不出來。靜電計(jì)上的刻度一般是以靜V（靜電系單位）為單位的，而1靜V=300V。故一般的直流電壓不能使靜電計(jì)指針有明顯偏轉(zhuǎn)。如果把靜電計(jì)接在具有幾百、幾千甚至幾萬伏電壓的直流電路中，靜電計(jì)指針就會(huì)有明顯的偏轉(zhuǎn)，也就可以用靜電計(jì)來測量某兩點(diǎn)

9、間的電壓。例如把靜電計(jì)接在感應(yīng)圈的副線圈上，指針偏轉(zhuǎn)角度會(huì)忽大忽小，說明感應(yīng)圈輸出的是不穩(wěn)定的脈動(dòng)電壓。 四、驗(yàn)電器和靜電計(jì)可演示的實(shí)驗(yàn) 根據(jù)驗(yàn)電器和靜電計(jì)的主要作用，可以進(jìn)行一系列演示實(shí)驗(yàn)。 1．用驗(yàn)電器演示導(dǎo)體和絕緣體。 使兩個(gè)驗(yàn)電器其中一個(gè)帶電，箔片張開，用被測物體連接兩個(gè)驗(yàn)電器的金屬球。若原來不帶電的驗(yàn)電器的箔片張開，則表明該物體為導(dǎo)體；若原來不帶電的驗(yàn)電器的箔片沒有張開，則表明該物體為絕緣體。 2．用驗(yàn)電器演示靜電感應(yīng)和感應(yīng)起電。 用驗(yàn)電器連接桿把兩個(gè)不帶電的驗(yàn)電器連接起來，用帶電的玻璃棒或橡膠棒靠近一個(gè)驗(yàn)電器的金屬球，但不接觸，由于靜電感應(yīng)，使兩個(gè)驗(yàn)電器的箔片張開。若移

10、開玻璃棒或橡膠棒，則箔片又都閉合。如果先拆開驗(yàn)電器連桿，再移開玻璃棒或橡膠棒，則箔片都保持原來張角，說明兩個(gè)驗(yàn)電器上有感應(yīng)電荷存在。 3．用靜電計(jì)演示導(dǎo)體表面是等勢面。 把一帶有絕緣柄的金屬小球用導(dǎo)線與靜電計(jì)的金屬球相連，靜電計(jì)的外殼接地，然后手持絕緣柄使金屬小球沿帶電導(dǎo)體的表面移動(dòng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)靜電計(jì)指針張角大小保持不變，說明帶電導(dǎo)體表面各處電勢相等。 4．靜電計(jì)演示電荷只分布在導(dǎo)體外表面。 把靜電計(jì)的金屬外殼與其金屬球用導(dǎo)線直接相連，無論把帶電體靠近還是直接接觸靜電計(jì)的金屬球，其內(nèi)部指針都不會(huì)張開，說明帶電體在靜電計(jì)（此時(shí)其外殼與內(nèi)部金屬已成為一個(gè)導(dǎo)體）上感應(yīng)出的電荷或直接傳給靜電計(jì)的電荷只能分布在其外表面。 5．演示尖端部分電荷密度較大。 把靜電計(jì)（或驗(yàn)電器）的金屬球換成近似封閉的金屬筒，將一小片錫箔的一端粘牢于膠木棍上，手持膠木棍使錫箔緊貼帶電導(dǎo)體的尖端附近。因錫箔可變形，故可使錫箔的曲率與該處相同。然后移開錫箔使其與靜電計(jì)上方的圓筒內(nèi)壁接觸，使錫箔上的電荷全部傳給金屬筒，記下靜電計(jì)張角大小，再將錫箔緊貼帶電導(dǎo)體的曲率較小處，重復(fù)上述過程。可發(fā)現(xiàn)靜電計(jì)指針張開角度較小，說明帶電體尖端部分電荷密度較大。