静电感应演示实验的常见失败原因分析

　　【摘要】本文从高中物理静电感应演示实验出发，分析了该实验在操作是比较常见失败现象及原因，并结合静电的特点分析了做好静电感应演示实验的关键。
　　【关键词】静电感应；演示实验失败；原因；关键
　　高中物理新课标选修静电学部分安排了一个重要的演示实验静电感应演示实验，但在实际操作过程常常出现实验失败的问题。演示实验是认知物理规律的感性基础，也是加强物理概念的重要环节，而概念和规律又是物理学的基本组成部分，所以如果演示实验失败，则达不到预期的演示效果。
　　一、关于实验常见失败原因
　　演示实验在物理教学中是十分重要的手段，也是学生十分感兴趣的形式。从知识准备的角度来看静电学的知识，由于缺乏感性认识，学习这部分知识是比较难的。演示实验便显得尤为重要。高中物理新课标中安排的静电感应演示实验如图1所示。用金属导体A、B，使其接触，不带电，而金属导体下方的金属箔是闭合的，带点金属球C靠近导体A，观察金属箔变化，分开A、B，然后C远离，继续观察金属箔变化，再次使A、B接触继续观察。
　　但高中物理静电感应演示实验难度相对较高，稍有不慎就可能导致实验失败，常见的实验失败现象主要有如下两种。
　　其一，当带电金属球靠近金属导体，金属导体下近端的金属箔片张开，但远端的却没有张开，这说明实验失败。但有时候同样的实验操作步骤在办公室能够成功但在教师却失败。
　　分析：金属导体下远离带电金属球的金属箔片没有张开，那么金属导体的这一端是不带电的。结合上述的现象来分析，大部分原因在于空气比较潮湿。在这种情况下金属导体远离带电金属球的一端在电荷相互排斥的情况下放电会更加容易；而靠近带电金属球的一端由于带电金属球对金属导体电荷的吸引，相比另一端不会那么容易就放电。如果是晴天，办公室人少，空气相对来说比较干燥，所以同样的步骤在办公室能够成功。而教室人多，學生呼吸时，使空气中的水分增加。如果是阴雨天空气更加潮湿。这种情况下只能尽量保持空气干燥，如果是阴雨天可提前通风，如果不行就只能等到晴天，空气干燥了再做实验。〔1〕
　　其二，当发生静电感应后，分开A、B两个金属导体并移走带电C，然后继续使A、B接触时，两个导体下方的金属箔却没有合并。通常导体A、B分别带异种等量电荷，A、B接触后，下方的两个金属箔片会合并，如果没有合并则说明两个导体所带的异种电荷不等量。经检验发现，当A、B分开后，二者所带的是同种电荷，原因是带电金属球C同导体的距离近，二者之间的电压高，带电金属球和导体之间的空气被击穿，带电金属球的电荷转移到导体上，而导体在再次接触时所带的电荷是同种电荷，因此出现上述实验失败的现象。如果起电机小球同金属球相连，所带的电荷多，电压很高（可达上万伏），容易将空气击穿，导致实验失败，所以在实验时将带电金属球离金属导体远一些即可。〔2〕
　　二、关于如何做好演示实验
　　结合上述常见的失败原因分析，要做好静电感应演示实验，把握静电的特点比较关键。
　　静电的特点主要包括两点：电压高、电量少。从前者看假如有可能在半径1m的导体球上分布3105C的电量，球体电势能达到3105V，即便是在1cm半径的小导体球上分布109C的电量，也能达到近100V的电压。从后者看，物理实验室中用到的普通验电器能够感测到电荷的数量级一般是1010～109C，即便是较大的电容，一般数量级很少超过104C，而这个电量相当于手电筒小电珠发光1s时所通过电量的万分之三。
　　结合这部分内容以及上述的失败原因分析可知要做好静电感应演示实验，关键在于防漏电，从上文的两个失败现象来看，均可以归结为漏电导致实验失败。第一个失败现象是潮湿空气导致远端导体向空气放电，而第二个失败现象则是金属球漏电击穿空气使导体带同种电荷。
　　静电所产生的电压高，高压下导体上的毛刺等已发生尖端放电，漏失静电，而高压下的绝缘体由于表面干湿度、灰尘等会减低绝缘性能进而出现静电漏失。用电叉转移电荷，只需轻触导杆，有限的电荷就会流失，起电机起电时，如果绝缘部分潮湿漏电，显然是得不到电荷的。所以防止漏电是做好静电感应演示实验的关键。首先，实验器材无论是演示器或是自制教具，制作材料绝缘性能要好。其次，要注意实验器材的维护更新，务必要保持实验器材的绝缘性能。再次，自制演示实验器材应尽量避免出现毛刺、细丝、尖角等，避免尖端放电现象。第四，实验前做漏电测试，方法是用验电器小球接触实验器材，确保器材绝缘性能耗。第五，实验时要避免接触漏电，即避免手或绝缘性不好的物体接触带电体。最后，则是要排除环境的干扰，尤其是要尽量避免在空气潮湿时做实验。
　　三、结束语
　　综上所述，静电感应演示实验，在高中物理当中是电磁学部分一个比较重要的实验，由于实验受限因素较多，会比较难做。通过本文的分析可知所有导致失败的现象，其实均可以归结于静电漏失，因此防止漏电是做好静电感应演示实验关键控制因素。
　　【参考文献】
　　〔1〕颜明慧，张伟。如何使物理课堂更加贴近学生生活以高中静电与生活一节课为例〔J〕。内蒙古师范大学学报（教育科学版），2013，06：150152。
　　〔2〕张怀玉。中学物理疑难实验研究〔J〕。江苏教育学院学报（自然科学版），2012，01：4648。
　　〔3〕徐忠。如何加强初中物理演示实验的教学〔J〕。学周刊，2014，22：9293。