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

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1、靜電現(xiàn)象的應用 驗電器與靜電計 驗電器和靜電計是研究靜電場特性的兩種重要實驗儀器，但對于這兩種儀器在結構和作用方面的異同，多數學生并不十分清楚，甚至存在一些誤解。例如認為“只要把驗電器的金屬箔換成金屬指針就變成了靜電計”，驗電器可以用來檢驗和比較不同帶電體所帶電量的多少”，“靜電計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識，有的老師的認識也是模棱兩可，說不清楚。為了澄清上述問題，本文對這兩種儀器在結構和作用方面的差異作簡要辯析。 一、驗電器和靜電計在結構上的差異 如圖1所示為一常用驗電器，它的主要結構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。當帶電體

2、與金屬小球接觸時，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，它的結構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，后面裝有標有刻度的毛玻璃，頂端帶有金屬球的金屬桿插入圓筒內，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，可繞水平軸靈活轉動．圓筒的底部有接線柱，可用以接地或與其它導體相連。這樣，靜電計的金屬外殼與內部的金屬桿及金屬指針構成了一個特殊的電容器。當內部的金屬桿與指針帶電時，金屬外殼的內壁上會感應出異種電荷，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，還受到外殼內壁上異種感應電荷的引力作用（此時外殼接地），也就是指針所受作用力的大小決定于殼內空間的電場強度的大小。而電場強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。而驗電器的外殼為玻璃瓶，當殼內金箔帶電時，在玻璃瓶上不會出現(xiàn)感應電荷，至多在內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。故其玻璃外殼與內部金屬桿不能共同構成電容器。驗電器金屬球和金屬桿可看作是孤立的導體，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，更何況玻璃外殼根本不是一個等勢體，其內外表面及表面上各點電勢并不相等。這就是驗

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

5、吸，使金箔上的正電荷向金屬球轉移而使張角變小。在這種情況下，可讓被檢驗導體靠近已知帶上負電的驗電器的金屬球，若金箔張角變大，可確認被檢驗導體必帶負電。 3．比較不同導體的電勢高低。 將同一個原來不帶電的驗電器的金屬球分別與帶正電的導體A和B先后連接，觀察金箔張角的大小，則張角大時所連導體的電勢高。若兩導體均帶負電，則張角大時所連導體的電勢低。這是因為，帶電體傳給驗電器的電量的多少，其實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帶電體和驗電器之間的電勢差。開始時驗電器不帶電，我們可以規(guī)定它的電勢為零。驗電器的金屬球、金屬桿雖然是孤立的導體，但也有確定的電容（當然非常?。?。當用導線

6、把帶電體與金屬球連接后，帶電體的電荷流向驗電器，使驗電器的電勢逐漸升高（或降低），直到驗電器與所連導體的電勢相等時，電荷停止流動。顯然帶電體電勢的絕對值越大，傳給驗電器的電量就越多，金箔張開的角度就越大。因此，根據金箔張角的大小，可以定性地比較不同導體電勢的高低。但帶電導體的電勢高，并不等于所帶電量多（因為其電容不同）。因此我們不能根據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體在哪一次帶電量較多。 三、靜電計的主要作用 靜電計也稱做指針式驗電器，這說明它完全具備驗電器的各種作用．由于靜電計的特殊結構，使得它又具備驗電器不能替代的某些作用。 1．定量測量兩導體

7、的電勢差。 將靜電計的金屬球和金屬外殼分別與被測量的導體用導線連接，例如分別與平行板電容器的正負極板相連。當電荷停止移動后，靜電計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。由于靜電計也是一個電容器，其指針所帶電量跟指針和外殼間的電勢差成正比，電勢差越大，指針帶電量越多，張開的角度也越大，所以根據指針所指刻度，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，故可認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．定量測量某導體的電勢。 把靜電

8、計的外殼接地，金屬球和被測導體相連，那么金屬指針所指刻度就表示導體和地之間的電勢差。取大地電勢為零，此讀數則可表示該導體的電勢。 3．測量直流電路中的電勢差。 既然靜電計本身也是一個電容器，那么把靜電計并聯(lián)在直流電路中電勢差不為零的兩點時，靜電計就會被充電，其指針就應該偏轉。但實際上在一般直流電路中，由于電壓較小，使靜電計所帶電量很小，指針的偏轉角度幾乎覺察不出來。靜電計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指針有明顯偏轉。如果把靜電計接在具有幾百、幾千甚至幾萬伏電壓的直流電路中，靜電計指針就會有明顯的偏轉，也就可以用靜電計來測量某兩點

9、間的電壓。例如把靜電計接在感應圈的副線圈上，指針偏轉角度會忽大忽小，說明感應圈輸出的是不穩(wěn)定的脈動電壓。 四、驗電器和靜電計可演示的實驗 根據驗電器和靜電計的主要作用，可以進行一系列演示實驗。 1．用驗電器演示導體和絕緣體。 使兩個驗電器其中一個帶電，箔片張開，用被測物體連接兩個驗電器的金屬球。若原來不帶電的驗電器的箔片張開，則表明該物體為導體；若原來不帶電的驗電器的箔片沒有張開，則表明該物體為絕緣體。 2．用驗電器演示靜電感應和感應起電。 用驗電器連接桿把兩個不帶電的驗電器連接起來，用帶電的玻璃棒或橡膠棒靠近一個驗電器的金屬球，但不接觸，由于靜電感應，使兩個驗電器的箔片張開。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，說明兩個驗電器上有感應電荷存在。 3．用靜電計演示導體表面是等勢面。 把一帶有絕緣柄的金屬小球用導線與靜電計的金屬球相連，靜電計的外殼接地，然后手持絕緣柄使金屬小球沿帶電導體的表面移動，會發(fā)現(xiàn)靜電計指針張角大小保持不變，說明帶電導體表面各處電勢相等。 4．靜電計演示電荷只分布在導體外表面。 把靜電計的金屬外殼與其金屬球用導線直接相連，無論把帶電體靠近還是直接接觸靜電計的金屬球，其內部指針都不會張開，說明帶電體在靜電計（此時其外殼與內部金屬已成為一個導體）上感應出的電荷或直接傳給靜電計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（或驗電器）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上方的圓筒內壁接觸，使錫箔上的電荷全部傳給金屬筒，記下靜電計張角大小，再將錫箔緊貼帶電導體的曲率較小處，重復上述過程?？砂l(fā)現(xiàn)靜電計指針張開角度較小，說明帶電體尖端部分電荷密度較大。