王 磊 陳建文

一、研究背景

靜電現(xiàn)象早在古希臘時代就被發(fā)現(xiàn)了，米利都學派的泰勒斯發(fā)現(xiàn)被皮毛摩擦過的琥珀可以吸引輕小的物體，但他認為這是因為琥珀被磁化了，是一種磁現(xiàn)象。真正讓電學進入科學研究視野的是科學革命時期的吉爾伯特，他在 1600 年的《論磁》中提出了琥珀吸引小物體是電現(xiàn)象，這不同于磁現(xiàn)象，并仿造希臘文中琥珀(elektron)一詞創(chuàng)造了“電”這個拉丁詞(electricus)。直接用毛皮摩擦琥珀生電顯然效率低下，直到起電器的發(fā)展，才帶動了電學研究的逐漸成熟。最早在 1663 年，格里克設計了一種硫磺球起電器。其實就是把硫磺做成球體，可以用手摩擦然后用手柄抓握，吸附輕小物體。1705年，豪克斯比受到啟發(fā)，改善了設計，用中空的玻璃球或玻璃圓筒替代了硫磺球，通過搖動一個大輪盤提供摩擦力，生成的電荷被儲存在玻璃球或玻璃管中。1745年，在荷蘭的萊頓市誕生了最早的電容器，這就是所謂的萊頓瓶[1]，與旋轉(zhuǎn)球起電器結合，可以更大量、更持久地儲存由旋轉(zhuǎn)球起電器產(chǎn)生的靜電。美國科學家富蘭克林利用起電機和萊頓瓶等做了大量實驗，于1746年提出的正負電荷的概念并規(guī)定用絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電，用毛皮摩擦過的橡膠棒帶負電[2]。到此人們對于靜電現(xiàn)象給出了較為科學的解釋。

在中學物理學科中靜電現(xiàn)象的學習是較為重要的知識，充分理解該部分內(nèi)容是以后學習庫侖定律、恒定電流等經(jīng)典電學知識的基礎。但是由于靜電現(xiàn)象的直觀性差，傳統(tǒng)的授課方法缺乏有效的啟發(fā)作用，造成了靜電現(xiàn)象的學習成為高中物理學習中的一個難點，教師在開始教學前通常會利用簡單教具或輔助教具直觀、形象地演示某種科學現(xiàn)象，這樣可以提高學生們的學習興趣并充分調(diào)動積極性，是一種非常有效的教學手段。尤其是在理科教學中，通過演示某些有趣的現(xiàn)象，引發(fā)學生提出疑問進而開動大腦進行思考是非常值得倡導的教學方式。中學生學習的靜電學知識正是從富蘭克林提出的正負電荷開始的，中學階段關于靜電現(xiàn)象的實驗也主要是富蘭克林分類正負電荷的摩擦起電實驗。用絲綢摩擦玻璃棒，和用毛皮摩擦橡膠棒雖然很好地為學生解釋了正負電荷的分類以及同性電荷相互排斥異性電荷相互吸引的靜電力作用。但這樣的實驗學生在小學就會接觸到，實驗結果早在學生的心里預期之中，缺乏新穎性，難以引起學生的研究興趣和學習熱情。

二、實驗設備

本設計的目的是提供一種用于中學物理課堂上演示靜電作用實驗的物理教學裝置。該裝置可以使陀螺在靜電力的作用下騰空旋轉(zhuǎn)。該設計解決了目前靜電現(xiàn)象教學存在的實驗效果單一、實驗率低、難以引起學生學習興趣等問題。相對于已有的教學儀器或者專利，本設計具有結構簡單、操作容易、實驗效果新穎、吸引力強、成本低、易普及等優(yōu)點。本設計可以顯著提升靜電現(xiàn)象的教學效果，提升學生對電學知識的研究興趣。本設計所述的用于物理課堂演示靜電作用的教學裝置，其整體結構圖如圖1所示。

圖1

該裝置的構成與原理：本設備由陀螺發(fā)射器(如圖2所示)和靜電懸浮臺(如圖3所示)兩部分組成。靜電懸浮臺的臺面(21)由高聚物絕緣材料制成，起電刷(23)由皮毛材料合成。啟動開關二(26)連通電池(28)與強扭矩電機(25)的線路，啟動電機(25)運轉(zhuǎn)，電機(25)帶動轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)盤上的起電刷轉(zhuǎn)動。向上推動電機架(24)使起電刷(23)緊貼臺面(21)下側，起電刷(23)在電機(25)的帶動下摩擦臺面(21)。因毛皮束縛電子能力弱于高聚物材料[3]，臺面(21)在起電刷(23)的摩擦下起電帶上大量負電荷。閉合開關(26)向下移動電機架(24)就得到了均勻帶有負電荷的靜電懸浮臺(21)。

陀螺(13)由與臺面(21)相同材料的高聚物制成且陀螺內(nèi)部空心，陀螺(13)插入小齒輪(18)的孔內(nèi)。啟動開關(12)及高速電機(11)轉(zhuǎn)動，帶動大齒輪(17)和小齒輪(18)轉(zhuǎn)動，小齒輪(18)帶動陀螺(13)高速旋轉(zhuǎn)。先將高速旋轉(zhuǎn)的陀螺(13)緊貼起電刷(23)，因皮毛摩擦高聚物材料使陀螺摩擦起電帶有大量負電荷。將陀螺發(fā)射器連同陀螺(13)挪至臺面上方中心處。按動推桿(14)使高速旋轉(zhuǎn)的陀螺在臺面(21)中心處。陀螺(13)和懸浮臺臺面(21)均帶有大量的負電荷，此時陀螺(13)和臺面(21)之間距離小，負電荷間的斥力之和F斥作用較強，大于陀螺本身的重力G，陀螺(13)會在懸浮臺臺面(21)上騰空而起。隨著陀螺(13)遠離臺面(21)，根據(jù)電荷間作用力公式F=kQq/r2，r變大，電荷間庫侖力變小，陀螺(13)和臺面(21)負電荷間的斥力之和F斥變小，當F斥小于陀螺(13)重力G時會使陀螺下落。陀螺會在變化的F斥與重力合作用下在懸浮臺上空反復起落。因陀螺在高速旋轉(zhuǎn)，角動量比較大，穩(wěn)定性強，陀螺不會倒向某一側，而是在空中持續(xù)漂浮、旋轉(zhuǎn)一段時間，直到空氣的阻力作用使陀螺旋轉(zhuǎn)速度慢下來，角動量減小，穩(wěn)定性變?nèi)醵瓜聛?。也可以使陀?13)帶電后先穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)于某一可移動平板上，懸浮臺面(21)帶電后再移至臺面(21)中心上空。緩慢移動平板及平板上的陀螺(13)找到F斥和陀螺(13)重力G相等的位置。撤去平板后陀螺(13)在懸浮臺上空穩(wěn)定位置旋轉(zhuǎn)，直到轉(zhuǎn)速變慢，角動量減小到難以穩(wěn)定陀螺的平衡后，陀螺(13)倒向某一側。

圖2

圖3

三、使用方式

使用方式1：先使靜電懸浮臺帶電，再使陀螺帶電，將陀螺釋放在懸浮臺中央處，陀螺騰空而起(如圖4所示)。

圖4

使用方式2：先使靜電懸浮臺帶電，再使陀螺帶電，釋放陀螺在紙板上，保持陀螺在紙板上高速旋轉(zhuǎn)的同時把紙板慢慢挪向懸浮臺的上方中央處，保持陀螺在中心位置。慢慢將紙板向下移動，使紙板靠向已經(jīng)帶電的懸浮臺臺面，在緩慢移動的過程中，陀螺不再隨著紙板移動，在庫倫力作用下懸空旋轉(zhuǎn)，撤掉紙板，陀螺會懸空旋轉(zhuǎn)一段時間(如圖5所示)。

圖5

四、結語

利用摩擦起電的方式使陀螺和懸浮臺分別帶上電荷，再使陀螺高速旋轉(zhuǎn)，以較大的角動量保持了陀螺懸空的穩(wěn)定性，實驗效果明顯，實驗現(xiàn)象持久，課堂吸引力強。本設計可以用來講解多種問題角動量、摩擦起電、靜電力作用等，趣味性強，可作為實驗玩具推廣，市場前景好；結實耐用，不易損壞，使用周期長；結構簡單，操作容易，可以推廣成為學生分組實驗的工具。