黃正玉

(深圳市第二實(shí)驗(yàn)學(xué)校 廣東 深圳 518021)

全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書《物理》(第二冊(cè))以及現(xiàn)行的人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理·選修3-1》對(duì)尖端放電現(xiàn)象的處理上，均以避雷針作為靜電感應(yīng)現(xiàn)象應(yīng)用的實(shí)例．筆者對(duì)尖端放電實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)采用自制風(fēng)車演示尖端放電實(shí)驗(yàn)趣味性強(qiáng)，課堂效果明顯．并在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)其原理進(jìn)行了初步探索．

1 實(shí)驗(yàn)探究

(1)電風(fēng)車的結(jié)構(gòu)制作

材料和工具： 易拉罐，縫衣針，泡沫板，剪刀，直尺，圓規(guī)，鱷魚夾，導(dǎo)線，范式起電機(jī)，手搖靜電起電機(jī).

圖1

簡(jiǎn)單制作過(guò)程：按圖1所示尺寸，先在白紙上畫出一個(gè)圓和8條切線．再用雙面膠將白紙粘貼在剪開(kāi)平壓后的易拉罐金屬薄片上．然后用剪刀按照實(shí)線將易拉罐金屬片剪出．

將圖1的4個(gè)尖端朝同一側(cè)彎折成圖2實(shí)物照片所示．再在圓心處用針尖按一個(gè)凹坑，在凹坑處插入縫衣針，一個(gè)電風(fēng)車就做成了,如圖3所示．

圖2 圖3

(2)電風(fēng)車的實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)1：將自制電風(fēng)車插在泡沫板上，用帶鱷魚夾的導(dǎo)線將縫衣針和靜電起電連接，手搖起電機(jī)，可看到風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)．如圖4所示．

實(shí)驗(yàn)2：操作者站在泡沫板上，一手扶著范式起電機(jī)的起電球，另一手拿著風(fēng)車下的縫衣針，如圖5所示.改變距離觀察轉(zhuǎn)速的關(guān)系．結(jié)果如表1.

圖4 圖5

風(fēng)車與起電球距離/cm15254070100轉(zhuǎn)速慢中快中慢

實(shí)驗(yàn)3：操作者不接觸范式起電機(jī)．身體離起電機(jī)20 cm，左、右手各拿一個(gè)風(fēng)車，觀察到兩個(gè)風(fēng)車均快速旋轉(zhuǎn)．

2 理論探微

問(wèn)題1:什么是尖端放電？

尖端放電是在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，物體尖銳部分發(fā)生的一種放電現(xiàn)象．屬于一種電暈放電．

問(wèn)題2：為什么導(dǎo)體尖端電荷密度大？

將導(dǎo)體設(shè)想成為兩個(gè)半徑不同的導(dǎo)體球組成，先將兩個(gè)導(dǎo)體球分別帶上不同的電荷量，如果說(shuō)兩個(gè)導(dǎo)體電勢(shì)相同，則導(dǎo)體球的帶電情況如何？

當(dāng)尖端部分分布的電荷密度增大到一定程度時(shí)，周圍將產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，導(dǎo)致周圍空氣電離，最終使得尖端的電荷向空氣中釋放，形成尖端放電．

問(wèn)題3:放電的風(fēng)車為什么會(huì)旋轉(zhuǎn)？

風(fēng)車尖端放電時(shí)，風(fēng)車尖端的電荷將運(yùn)動(dòng)到空氣中，根據(jù)反沖運(yùn)動(dòng)原理，風(fēng)車將受到相反方向的作用力，從而使風(fēng)車向著尖端的反方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)．

3 實(shí)驗(yàn)解釋

實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的旋轉(zhuǎn)可以很容易的用上面知識(shí)解釋．然而為什么，實(shí)驗(yàn)2的旋轉(zhuǎn)快慢會(huì)和風(fēng)車的距離有關(guān)呢？筆者覺(jué)得有如下影響因素．

因?yàn)?5 cm距離太近，電場(chǎng)太強(qiáng)，導(dǎo)致風(fēng)車除4個(gè)尖端外的其他邊緣處也都在放電，因而合力距變小，旋轉(zhuǎn)效果反而不好．100 cm距離太遠(yuǎn)，電場(chǎng)不夠強(qiáng)，尖端放電不夠明顯．而40 cm處風(fēng)車的尖端的放電剛好達(dá)到飽和，而風(fēng)車的其他位置并沒(méi)有放置，整個(gè)風(fēng)車4個(gè)偏向一側(cè)的尖端受到最大的力矩．所以旋轉(zhuǎn)效果最好．

實(shí)驗(yàn)3，由于身體未直接接觸起電機(jī)，因而電風(fēng)車的電場(chǎng)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)強(qiáng)或過(guò)小的情況，所以旋轉(zhuǎn)情況和距離沒(méi)有太大關(guān)系，尖端放電恰好達(dá)最佳狀態(tài)．