摘?要：電學(xué)實(shí)驗(yàn)是高考的必考內(nèi)容。電壓表和靜電計(jì)是電學(xué)中常用的儀器，它們均可用來(lái)測(cè)量電勢(shì)差，但由于構(gòu)造和原理不同，其應(yīng)用本質(zhì)上也有所不同。

關(guān)鍵詞：電學(xué)儀器;電壓表;靜電計(jì);構(gòu)造;原理;應(yīng)用

中學(xué)物理學(xué)科核心素養(yǎng)是指物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任這四個(gè)方面。而科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。我們?cè)趯W(xué)習(xí)中，不但要掌握知識(shí)點(diǎn)的概念和規(guī)律，靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題，更要學(xué)會(huì)分析解決問(wèn)題和探究問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，培養(yǎng)解決問(wèn)題的能力，最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)。下面就電壓表和靜電計(jì)兩種電學(xué)儀器為例，它們同是測(cè)量電勢(shì)差，但本質(zhì)卻不相同，筆者從構(gòu)造、原理和應(yīng)用上進(jìn)行分析說(shuō)明。

一、 問(wèn)題的提出

電壓表和靜電計(jì)是電學(xué)中常用的儀器，它們均可用來(lái)測(cè)量電勢(shì)差，但很多同學(xué)會(huì)提出這樣一些問(wèn)題：為什么靜電計(jì)能測(cè)電勢(shì)差？它的理論依據(jù)是什么？能否用電壓表來(lái)測(cè)平行板電容器兩極板間的電勢(shì)差？電壓表和靜電計(jì)測(cè)電勢(shì)差有什么不同之處嗎？等等。

辨析：正確答案為CD。

很多同學(xué)得出了錯(cuò)誤的答案A，其原因在于對(duì)電壓表和靜電計(jì)的構(gòu)造、原理及其應(yīng)用的區(qū)別不清楚，才導(dǎo)致上述錯(cuò)誤。

對(duì)于靜電計(jì)和電壓表，我們不僅要知道其構(gòu)造，還要知道其原理，更要知道其應(yīng)用和區(qū)分。只有這樣我們才能真正了解和掌握靜電計(jì)和電壓表。

二、 靜電計(jì)的構(gòu)造、原理及其應(yīng)用

（一）構(gòu)造

靜電計(jì)是在驗(yàn)電器的基礎(chǔ)上制成的，如圖2所示。在金屬外殼中絕緣的安裝一根金屬細(xì)桿，細(xì)桿的上端是金屬小球，細(xì)桿的下部是一根可以偏轉(zhuǎn)的金屬指針，并附有一個(gè)圓弧形標(biāo)尺來(lái)顯示指針偏轉(zhuǎn)的角度。

（二）原理

驗(yàn)電器的金屬球、金屬桿的指針與金屬外殼是彼此絕緣的，所以指針與外殼之間構(gòu)成了一個(gè)電容值很小的電容器。使用時(shí)把靜電計(jì)與帶電的電容器兩極板相連接（通常外殼還要接地以確保實(shí)驗(yàn)安全），相當(dāng)于兩個(gè)電容器并聯(lián)。當(dāng)電容器帶電時(shí)，靜電計(jì)也就帶了電。其可動(dòng)指針和固定指針因帶有同種電荷而相互推斥，使可動(dòng)指針張開(kāi)一定角度。穩(wěn)定時(shí)指針張角φ與指針的帶電荷量Q成正比，而Q又與靜電計(jì)得到的電勢(shì)差（電容器兩極板間的電勢(shì)差）成正比，即Q=CU，所以靜電計(jì)指針張角的大小反映出了帶電的平行板電容器兩極板間的電勢(shì)差的大小。

（三）應(yīng)用

由靜電計(jì)的工作原理可知，利用靜電計(jì)可以用來(lái)測(cè)量靜電場(chǎng)中的電勢(shì)差，由于靜電計(jì)的金屬桿與金屬外殼之間是絕緣的，在用它測(cè)電勢(shì)差時(shí)是斷開(kāi)的，所以指針?lè)€(wěn)定時(shí)靜電計(jì)中是無(wú)電流的。

【例2】?在如圖3所示的實(shí)驗(yàn)中，平行板電容器的A極板與靜電計(jì)相連，B極板接地，若將B極板稍向上移動(dòng)一點(diǎn)，試根據(jù)觀察到的靜電計(jì)指針變化，判斷出平行板電容器電容變小的說(shuō)法正確的是（??）

A. 兩極板間電壓不變，極板上的電量變大

B. 兩極板間電壓不變，極板上的電量變小

C. 兩極板上的電量幾乎不變，兩極板間電壓變大

D. 兩極板上的電量幾乎不變，兩極板間電壓變小

解析：分析時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：其一，靜電計(jì)指示的是平行板電容器的電壓;其二，此實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中可以認(rèn)為平行板電容器極板上電荷量幾乎不變。故A、B答案不正確。

當(dāng)靜電計(jì)指針變化時(shí)則表示電容器上的電壓的變化。

當(dāng)電容器的B極板稍向上移動(dòng)一點(diǎn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明指針的偏角變大，即平行板電容器的電壓變大。由于平行板電容器AB極板上的電荷量幾乎不變。據(jù)電容器的電容定義式C=QU可知，平行板電容器的電容變小，所以答案為C。

三、 磁電式電壓表的構(gòu)造、原理及其應(yīng)用

（一）靈敏電流表的構(gòu)造

中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室里所用電表是磁電式儀表，（如圖4所示）其構(gòu)造是在一個(gè)很強(qiáng)的蹄形磁鐵的兩極間固定一個(gè)圓柱形鐵芯，鐵芯外面固定一個(gè)可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的輕質(zhì)鋁框，在輕質(zhì)鋁框上繞有線圈，輕質(zhì)鋁框的轉(zhuǎn)軸上固定兩個(gè)螺旋式彈簧和一個(gè)指針，線圈的兩端點(diǎn)分別接在這兩個(gè)螺旋式彈簧上，被測(cè)電流經(jīng)過(guò)這兩個(gè)螺旋式彈簧流入線圈。

圖4?電流表的構(gòu)造

（二）工作原理

蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場(chǎng)是按輻向均勻地分布的，（如圖5所示）當(dāng)線圈中有通過(guò)電流時(shí)，線圈上跟轉(zhuǎn)動(dòng)軸軸平行的兩邊導(dǎo)線都會(huì)受到安培力作用，這兩個(gè)安培力產(chǎn)生的力矩使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)使螺旋彈簧扭動(dòng)，彈簧產(chǎn)生一個(gè)阻礙線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，力矩增大線圈轉(zhuǎn)過(guò)的角度也增大，當(dāng)兩者的力矩相平衡時(shí)，線圈便停止轉(zhuǎn)動(dòng)。因而可以根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)角度的大小，知道被測(cè)電流的大小。如果通過(guò)線圈的電流方向發(fā)生變化，線圈所受安培力的方向也改變，指針的偏轉(zhuǎn)方向隨之發(fā)生變化，所以我們根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向，來(lái)確定被測(cè)電流的方向。

（三）應(yīng)用

電壓表是由磁電式電流表改裝而成的，電壓表要有示數(shù)，就必須有電流通過(guò);若沒(méi)有電流通過(guò)電壓表，即便有電勢(shì)差，電壓表也無(wú)法測(cè)其電勢(shì)差。

【例3】?如圖6所示，U形導(dǎo)體框abcd處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度為B，方向垂直紙面向里。長(zhǎng)度為L(zhǎng)的直導(dǎo)線MN中間連接一電壓表，直導(dǎo)線MN跨接在ab和cd上，且與ab、cd垂直，MN與框架間是完全光滑的。C為電容器，R為電阻。現(xiàn)使直導(dǎo)線MN以速度v0向右勻速運(yùn)動(dòng)，用q表示電容器所帶的電量、U表示電壓表的讀數(shù)、F表示對(duì)MN的拉力、C表示電容器的電容（由于電壓表的體積很小，MN間電壓受線圈切割磁感線的影響可忽略不計(jì)），則（??）

解析：此題容易錯(cuò)選C，但正確答案選B。

在導(dǎo)線MN做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，由法拉第電磁感應(yīng)定律知導(dǎo)線MN兩端有電勢(shì)差，由于電路中有電容器，回路中無(wú)電流。只有電流通過(guò)電壓表時(shí)，電壓表會(huì)有讀數(shù)。若無(wú)電流通過(guò)，即便電壓表兩端有電壓，電壓表也是不會(huì)有示數(shù)的。由于電路中無(wú)電流，也就不受安培力。故B選項(xiàng)正確。

在靜電場(chǎng)中若兩導(dǎo)體間存在電勢(shì)差，當(dāng)兩導(dǎo)體間接入電壓表后，由于電荷的定向移動(dòng)而會(huì)使電荷重新分布，靜電場(chǎng)中的電勢(shì)也會(huì)改變。如果我們把例題2的電容器兩極板間接入一塊電壓表，會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果呢？答案是電容器兩極板所帶的等量異種電荷，通過(guò)電壓表放電完全中和，電壓表示數(shù)為零，因而靜電場(chǎng)中電勢(shì)差不能用電壓表測(cè)量。

在明確了電壓表和靜電計(jì)的構(gòu)造、原理和應(yīng)用后，例題1是不是也就容易解決了。

對(duì)例題1的再認(rèn)識(shí)：當(dāng)電鍵S閉合后，電路中有電流通過(guò)，電容器處于充電狀態(tài);當(dāng)充電結(jié)束，電路穩(wěn)定后電路中沒(méi)有電流，由于無(wú)電流通過(guò)電壓表因而其讀數(shù)為零，這時(shí)電壓表相當(dāng)于一個(gè)非常大阻值電阻而將電容器C1短路，電源與在電容器C2連接，由于靜電計(jì)與電容器C2并聯(lián)，因而靜電計(jì)兩端的電勢(shì)差等于電源電動(dòng)勢(shì)E，所以正確答案為CD。

總之，靜電計(jì)和電壓表雖然都是用來(lái)測(cè)量電勢(shì)差的儀器，但其構(gòu)造、原理及應(yīng)用都有本質(zhì)上的不同。我們要正確區(qū)分它們，不僅要知其一（構(gòu)造），知其二（原理），更要知其三（應(yīng)用）。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭金山，陳金貴.運(yùn)用物理方法培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)：以魯科版·高中物理選修3-1為例[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2019（10）：109-110.

作者簡(jiǎn)介：

李茂華，山東省臨沂市，山東省平邑第一中學(xué)。