靜電實(shí)驗教學(xué)探索論文

　　論文關(guān)鍵詞：靜電靜電實(shí)驗靜電產(chǎn)生

　　論文摘要：靜電實(shí)驗是物理實(shí)驗的重要組成部分。敘述了靜電產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)，分析影響實(shí)驗成功的各種因素，討論了在實(shí)踐中抓住主要矛盾是確保實(shí)驗教學(xué)成功的關(guān)鍵。

　　靜電實(shí)驗是物理實(shí)驗的重要組成部分，而且屬于較難在課堂上駕御的物理演示實(shí)驗，原因是影響靜電實(shí)驗成敗因素頗多。因此，就要求教師既要從理論上掌握靜電產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)，又要在實(shí)踐中研究靜電實(shí)驗的規律，分析影響實(shí)驗的各種因素，抓住主要矛盾，有針對性地解決問(wèn)題。方能在一個(gè)具體實(shí)驗環(huán)境條件下，把握試驗關(guān)鍵，確保靜電實(shí)驗成功。

　　一、靜電研究的歷史

　　古代人們對自然界中的各種電現象，不了解他們內在的聯(lián)系，認為它們是各不相干的。有些現象實(shí)在無(wú)法解釋?zhuān)�只能求助于神的力量�?6世紀英國御醫吉爾伯特是第一個(gè)比較系統地研究了靜電現象的人，吉爾伯特的工作停留在定性的階段，進(jìn)展不快。1752年，美國社會(huì )活動(dòng)家富蘭克林用風(fēng)箏將雷電引下來(lái)，把“天電”收集到萊頓瓶中，從而弄明白“天電”和“地電”原來(lái)是一回事。18世紀后期，貝內特發(fā)明驗電器，這種儀器一直沿用到現在。它可以近似地測量一個(gè)物體上所帶的電量。另外，庫侖發(fā)明了扭秤，用它來(lái)測量靜電力，推導出了庫侖定律�？茖W(xué)家使用了驗電器和扭秤以后，靜電現象的研究工作就從定性走到了定量的道路。經(jīng)過(guò)長(cháng)期對自然現象的觀(guān)察和研究，人們對靜電現象有了一定程度的認識。但是對電的本質(zhì)問(wèn)題，一直到研究物質(zhì)結構后，才算比較清楚。

　　二、靜電中的電荷本質(zhì)

　　電荷本身不是物質(zhì)，但電荷與物質(zhì)不可分離，自然界不存在脫離物質(zhì)而單獨存在的電荷，電荷是物質(zhì)的固有屬性之一，它有正電荷與負電荷兩種，同種電荷相排斥，異種電荷相吸引。導體上所帶的電荷是可以自由移動(dòng)的自由電荷，以傳導方式實(shí)現電荷的轉移；而絕緣體帶電情況與導體帶電情況大不相同，絕緣體所帶的電荷是以束縛電荷的形式出現，不能以傳導方式轉移，而是以放電形式實(shí)現轉移。所以，帶電的絕緣體與導體接觸后，導體上所得到的電荷是通過(guò)放電形式轉移而來(lái)的，即金屬中的電子在強電場(chǎng)作用下，從金屬表面逸出，導體表面電荷集中部分最易發(fā)生這種現象。我們通過(guò)接觸可以實(shí)現絕緣體與帶電體上電荷的轉移，但其本質(zhì)上不是傳導而是放電，這個(gè)問(wèn)題的正確理解，有助于我們理論上正確分析靜電產(chǎn)生的原因。通常物體由原子組成，原子中有帶正點(diǎn)的原子核和帶負電的電子，由于正、負電荷相等，一般物體呈中性而不帶電。但當物體經(jīng)過(guò)摩擦、加熱、感應、照射等變化，往往使物體獲得或失去一些電荷（電子），呈現帶靜電狀態(tài)。由此可見(jiàn)，靜電產(chǎn)生是具有多樣性和復雜性。

　　三、實(shí)驗中靜電的'產(chǎn)生

　　1.摩擦帶電是課堂教學(xué)中最常用的起電方法。兩種不同物質(zhì)互相接觸時(shí)，由于兩種物質(zhì)原子核外電子分布的不同，兩者之間就存在著(zhù)一個(gè)電位差，叫接觸電位差。因電位差存在，常常有電子從一個(gè)物體轉移到另一物體，從而使前者帶正電，后者帶負電。兩物體相互摩擦，摩擦的作用使兩物體接觸的點(diǎn)增多，接觸更緊密，從而增加電子轉移的機會(huì )，加之摩擦溫度升高，加速了電子轉移。但是，從物理本質(zhì)上來(lái)講，摩擦帶電是一種接觸帶電，相互接觸緊密時(shí)的接觸電位差是主要矛盾，相互摩擦的兩種材料之間擠壓的越緊，越容易實(shí)現電子在兩種材料的轉移而使之帶電，而只有快速．反復而不緊壓的摩擦是不易生電的，有經(jīng)驗的教師是用緊壓的摩擦來(lái)成功使物體帶電的。   實(shí)驗中有時(shí)用絲綢摩擦兩根玻璃棒，卻得到兩玻璃棒帶電性質(zhì)相反的反�，F象。研究后認為，用絲綢摩擦第一根玻璃棒，因玻璃棒失掉電子而帶正電，絲綢得到電子帶負電，在空氣特別干燥時(shí)，絲綢上的電子不易漏失。當與第二根玻璃棒一起摩擦時(shí)，由于摩擦次數較少或較輕，不僅沒(méi)有使玻璃棒失掉電子，反而把絲綢上的多余電子轉移到玻璃棒上，使第二根玻璃棒帶負電，發(fā)生兩棒相吸現象，為防止反�，F象發(fā)生，第二次絲綢與玻璃棒摩擦起電前，應用手充分與絲綢接觸，使絲綢原先所帶負電荷放凈后，再于玻璃棒摩擦。

　　2.感應帶電也是靜電實(shí)驗中較常用的方法。靜電感應是靜電場(chǎng)中的導體內，自由電荷受到場(chǎng)力作用移動(dòng)，電荷重新分布，最后達到靜電平衡，從而使導體不同部位出現正、負電荷的現象。感應帶電是在靜電感應的條件下，使導體的一端接地后，去掉靜電場(chǎng)，則導體另一端的電荷重新分布在導體表面，用這種方法使導體帶電的優(yōu)點(diǎn)是：導體容易帶電且帶電量也易控制，需注意導體是處于與地絕緣狀態(tài)。

　　3.實(shí)驗中注意靜電的特征

　　靜電具有高電壓特征。例如，人在地毯行走或從椅子上起立時(shí)，人體靜電電壓可高達一萬(wàn)多伏，靜電的電量小、電容小。為什么電壓高呢？原來(lái)兩導體之間的電容、電壓與其上電量之間保持U=Q/C的關(guān)系，而C=εS/d．如果介電常數ε,極板面積S保持不變，則電容與極板間距離成反比。舉例說(shuō)明：如兩物體緊密接觸時(shí)，其間距離為25×10-8厘米，其接觸電位差很小，當兩物體迅速離開(kāi)至0.1厘米時(shí)，由于距離增大為原來(lái)的40萬(wàn)倍，電容則減小為原來(lái)的40萬(wàn)分之。如果分離前后物體上電量保持不變，電壓將升為原來(lái)的40萬(wàn)倍。即使接觸電位差只有0.01伏，分離至0.1厘米時(shí)電壓可達4千伏。因此，數萬(wàn)伏靜電壓就不足為奇了。由此分析，不難看出，靜電的高壓特征主要來(lái)自電容，而不是來(lái)自電量。故其電量小，但電壓高。

　　靜電在高電壓的特征下，對絕緣體材料性能的要求相應也很高。有些教師在流電實(shí)驗范圍形成的絕緣體概念，在靜電范圍許多材料卻是亞導體，電荷易漏失，導致實(shí)驗失敗。因此靜電實(shí)驗要求使用高電阻率的絕緣材料。一般電阻率為107歐姆米以下的物體，在靜電范圍都屬靜電導體，而電阻率為107獈1014歐姆米的物體只能算亞導體。靜電絕緣體，一般指電阻率為1014歐姆米以上的物體。因此，靜電實(shí)驗中，要選好用的靜電絕緣體。如：有機玻璃，各種塑料，硬泡沫塑料，石蠟等等，而不能用亞導體：棉線(xiàn)，紙張，木材，橡膠，膠木，玻璃等做絕緣體，認識這一點(diǎn)是查找靜電實(shí)驗失敗原因的關(guān)鍵。

　　在靜電實(shí)驗中，影響實(shí)驗成功的因素：一是空氣濕度，二是儀器的絕緣性能，絕緣材料表面受潮，不清潔導致其絕緣性能下降致使實(shí)效差或根本做不出來(lái)。解決的方法是，在潮濕的天氣條件下，在實(shí)驗前和實(shí)驗過(guò)程中，最好用鎢燈烘烤。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現，空氣濕度對靜電的影響處于次要地位，而儀器的絕緣性能處于主要地位。為解決這個(gè)主要矛盾，需要改善儀器絕緣性能，一是用清潔劑將儀器洗凈，清除雜質(zhì)，增加絕緣性。二是改善儀器中關(guān)鍵的絕緣元件的絕緣性。儀器的清潔是靜電實(shí)驗成功的重要因素。

　　總之，每個(gè)教師要確保課堂教學(xué)成功，就必須對教學(xué)內容有更深層次的理解。即“知其然，更知其所以然�！膘o電實(shí)驗教學(xué)的成功，要求教師既要從理論上掌握靜電產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)，又要在實(shí)踐中研究靜電實(shí)驗的規律，要在理論和實(shí)踐中不斷提高自己，才能確保靜電實(shí)驗教學(xué)的成功。

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