于 冰 于海波

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春 130024)

靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)是高中物理教學(xué)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn).在高中物理教學(xué)中，經(jīng)常利用枕形導(dǎo)體等器材來演示靜電感應(yīng)現(xiàn)象、驗(yàn)證靜電感應(yīng)使導(dǎo)體兩端帶等量異種電荷.從理論上看這個實(shí)驗(yàn)比較簡單，但是具體實(shí)驗(yàn)方案的選擇和實(shí)際操作都容易出現(xiàn)錯誤或不當(dāng)之處.本文將針對一個錯誤的實(shí)驗(yàn)方案展開分析，進(jìn)而給出兩個正確的實(shí)驗(yàn)方案，希望能為中學(xué)物理教學(xué)提供有益的參考.

1 教科書中的實(shí)驗(yàn)方案及其操作注意事項(xiàng)

在很多版本的中學(xué)物理教科書中，主要都是利用枕形導(dǎo)體、金屬箔、帶電體等器材來做這個實(shí)驗(yàn).具體實(shí)驗(yàn)方案是：首先讓兩個枕形導(dǎo)體的平口端接觸靠在一起，起初它們不帶電，貼在每個枕形導(dǎo)體下部的金屬箔是閉合的.然后把帶電體接近枕形導(dǎo)體的一端，觀察金屬箔的變化.接下來把兩個枕形導(dǎo)體分開，移去帶電體，觀察金屬箔的變化.最后，再讓兩個枕形導(dǎo)體接觸靠在一起，觀察金屬箔的變化.這是一個比較經(jīng)典的靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)，可以有效說明靜電感應(yīng)使導(dǎo)體兩端帶等量異號電荷.為了確保這個實(shí)驗(yàn)成功，需要注意以下幾點(diǎn)事項(xiàng)：一是兩個枕形導(dǎo)體接觸后必須要清除掉枕形導(dǎo)體上的殘余電荷；二是操作過程要盡量快一些，防止漏電.三是在中學(xué)物理教學(xué)中經(jīng)常利用摩擦過的玻璃棒或橡膠棒作為帶電體，需要保證帶電體在靠近枕形導(dǎo)體時，不能離枕形導(dǎo)體太遠(yuǎn)，也不能離枕形導(dǎo)體太近.如果距離太遠(yuǎn)，感應(yīng)效果非常不明顯，金屬箔不會張開.如果距離太近，容易發(fā)生放電現(xiàn)象而影響實(shí)驗(yàn).總之，按照這個方案進(jìn)行操作，讓枕形導(dǎo)體下面的金屬箔張開并不是一件容易的事.

2 一個實(shí)驗(yàn)方案的錯誤分析

在物理教學(xué)中，為了能夠更容易、更清晰地演示出靜電感應(yīng)現(xiàn)象，可以用靜電計(jì)來檢驗(yàn)導(dǎo)體帶電情況，于是經(jīng)常有人采取這樣的實(shí)驗(yàn)方案：利用枕形導(dǎo)體、靜電計(jì)、帶電體等器材.首先使帶電體靠近兩個接觸的枕形導(dǎo)體，然后將枕形導(dǎo)體分開，使之分別與靜電計(jì)接觸，觀察靜電計(jì)指針變化.期待通過靜電計(jì)指針先張開、然后合攏歸零的現(xiàn)象，來說明兩個枕形導(dǎo)體帶等量異種電荷.事實(shí)上，如果按照此方案進(jìn)行操作，在靜電計(jì)靈敏度高、絕緣效果好的情況下，靜電計(jì)指針根本不會合攏歸零，也無法驗(yàn)證兩個枕形導(dǎo)體帶等量異種電荷.為什么這樣的方案是不正確的呢？因?yàn)檫@個方案在原理上存在錯誤：每個枕形導(dǎo)體與靜電計(jì)相接觸時，枕形導(dǎo)體上的電荷無法全部轉(zhuǎn)移到靜電計(jì)上，或者無法保證每個枕形導(dǎo)體轉(zhuǎn)移到靜電計(jì)上電荷的比例是相同的.在這樣的情況之下，自然也就無法達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧?

3 兩個正確實(shí)驗(yàn)方案的探討

前面已經(jīng)分析，讓帶電后的枕形導(dǎo)體分別直接與靜電計(jì)相接觸，無法驗(yàn)證靜電感應(yīng)使導(dǎo)體兩端帶等量異號電荷.下面本文介紹探討兩個正確的實(shí)驗(yàn)方案.

第1個方案：同樣利用枕形導(dǎo)體、靜電計(jì)、帶電體等器材，但是操作步驟有所不同.首先還是使帶電體靠近兩個接觸的枕形導(dǎo)體，然后將枕形導(dǎo)體分開.接下來先將一個枕形導(dǎo)體與靜電計(jì)相接觸，會發(fā)現(xiàn)靜電計(jì)指針張開.保持第一個枕形導(dǎo)體與靜電計(jì)接觸不動，再將另一個枕形導(dǎo)體與靜電計(jì)相接觸.這時如果發(fā)現(xiàn)靜電計(jì)的指針合攏歸零，就可以說明兩個枕形導(dǎo)體帶的是等量異種電荷.為什么這個方案是可行的呢？因?yàn)榘凑者@個方法進(jìn)行操作，就避免了兩個枕形導(dǎo)體上電荷往靜電計(jì)上轉(zhuǎn)移比例不一致的問題，因而可以驗(yàn)證靜電感應(yīng)使枕形導(dǎo)體帶等量異種電荷.

第2個方案：除了枕形導(dǎo)體、靜電計(jì)、帶電體等器材，再加一個法拉第筒.實(shí)驗(yàn)開始前，在靜電計(jì)上端加一個法拉第筒.讓帶電體靠近兩個接觸的枕形導(dǎo)體，然后將枕形導(dǎo)體分開.先將一個枕形導(dǎo)體與靜電計(jì)上法拉第筒的內(nèi)表面相接觸，會發(fā)現(xiàn)靜電計(jì)指針張開.移開這個枕形導(dǎo)體，這時靜電計(jì)張角保持不變.再將另一個枕形導(dǎo)體與靜電計(jì)上法拉第筒的內(nèi)表面相接觸，如果靜電計(jì)的指針合攏歸零，就可以說明兩個枕形導(dǎo)體帶等量異種電荷.這樣設(shè)計(jì)操作之所以可行，其實(shí)是利用了電荷在導(dǎo)體上的分布規(guī)律：根據(jù)靜電平衡下導(dǎo)體殼的內(nèi)表面處處沒有電荷的性質(zhì)，將帶電導(dǎo)體與導(dǎo)體內(nèi)殼表面接觸時，帶電導(dǎo)體的表面成為導(dǎo)體殼內(nèi)表面的一部分，帶電導(dǎo)體上電荷一定會全部轉(zhuǎn)移到導(dǎo)體殼的外表面上去.[1]根據(jù)這個規(guī)律，枕形導(dǎo)體伸入法拉第筒內(nèi)且與筒的內(nèi)表面接觸時, 枕形導(dǎo)體上的電荷全部轉(zhuǎn)移到到筒的外表面上，進(jìn)而轉(zhuǎn)移到靜電計(jì)上.通過實(shí)際操作，讓兩個帶電后的枕形導(dǎo)體分別與法拉第筒內(nèi)表面接觸，確實(shí)出現(xiàn)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)而驗(yàn)證了靜電感應(yīng)使導(dǎo)體兩端帶等量異種電荷.