孔志蕾

(南宮市南宮中學(xué) 河北 邢臺(tái) 055750)

學(xué)生在學(xué)過(guò)高中物理必修(第三冊(cè))第九章靜電場(chǎng)及其應(yīng)用和第十章靜電場(chǎng)中的能量這兩章之后，知道自然界中有兩種電荷，使物體帶電的方式有摩擦起電、感應(yīng)起電等.靜電飛花裝置可以作為拓展實(shí)驗(yàn)，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生探究靜電飛花實(shí)驗(yàn)中起電盤和取電盤的電性及紙屑飛起來(lái)的原因，提升學(xué)生的探究能力.科學(xué)探究是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)、發(fā)展科學(xué)思維、形成科學(xué)態(tài)度的手段和途徑.

1 靜電飛花裝置介紹

靜電飛花裝置的由來(lái)：早在90年代初，南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的劉炳升教授就給學(xué)生做過(guò)“靜電飛花”的趣味實(shí)驗(yàn).最初是使用感應(yīng)起電機(jī)使金屬盤帶電，帶電后的金屬盤會(huì)使撒在盤上的紙屑飛起來(lái).后來(lái)，改用感應(yīng)起電盤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先將塑料袋鋪在桌面上，用織物摩擦塑料袋使塑料袋帶電，然后再將撒有紙屑的金屬盤放在塑料袋上.右手持絕緣柄，同時(shí)用左手手指按住金屬盤的上表面，先移開(kāi)按在金屬盤上的手指，然后將金屬盤提起，金屬盤上的紙屑會(huì)向上或向四周飛散開(kāi)，如圖1所示.2019年，江蘇沭陽(yáng)中學(xué)的唐守平老師選用了更好的絕緣材料，改進(jìn)了工藝，使實(shí)驗(yàn)效果更理想[1].

圖1 靜電飛花

靜電飛花裝置的組成：用聚四氟乙烯材料制作的帶接地線的起電盤、帶絕緣柄的金屬取電盤、羊毛和紙花.

教師按以下步驟先做演示實(shí)驗(yàn)：

(1)將起電盤放在水平桌面上，使接地線另一端的金屬片與地面接觸；

(2)用羊毛摩擦起電盤，然后將羊毛快速移開(kāi)；

(3)把取電盤放到起電盤上，注意使取電盤與起電盤上連有接地線的螺絲釘接觸，并將紙花撒在取電盤上;

(4)抬起取電盤，欣賞漫天飛花，如圖2所示.

圖2 靜電飛花改進(jìn)版

本實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生的拓展探究實(shí)驗(yàn)，在教師做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生會(huì)對(duì)飛起來(lái)的紙屑感興趣，進(jìn)一步提出問(wèn)題：為什么紙屑可以飛起來(lái)？接下來(lái)可以讓學(xué)生帶著這個(gè)疑問(wèn)進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中紙花可能無(wú)法飛起來(lái)，是由于操作中沒(méi)有注意到取電盤需要與起電盤上的螺絲釘接觸.那么，接地后的取電盤是否帶電，帶電的原因是什么，和起電盤帶的是否是同種電荷？帶著這一系列問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)操作步驟進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn).

2 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)

2.1 判斷羊毛摩擦過(guò)的起電盤上所帶電荷的電性

首先引導(dǎo)學(xué)生思考檢驗(yàn)帶電體上電荷種類的方法有哪些，然后分組檢驗(yàn).學(xué)生會(huì)想到用靜電計(jì)檢驗(yàn)、用發(fā)光二極管檢驗(yàn)，還可以利用三極管制作的正負(fù)電荷檢驗(yàn)器來(lái)檢驗(yàn).以下是實(shí)驗(yàn)過(guò)程.

2.1.1 用靜電計(jì)檢驗(yàn)起電盤上電荷的種類

首先用羊毛摩擦橡膠棒，并讓橡膠棒與靜電計(jì)上端的金屬球接觸.會(huì)發(fā)現(xiàn)靜電計(jì)的指針只張開(kāi)了一個(gè)很小的角度，這是由于橡膠棒是絕緣體，絕緣體所帶的電荷是以束縛電荷的形式出現(xiàn)的，無(wú)法像導(dǎo)體上的電荷一樣自由移動(dòng)、以傳導(dǎo)的方式實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移[2].為了增大靜電計(jì)的張角可以讓橡膠棒在靜電計(jì)的金屬球上轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦幾下，此時(shí)靜電計(jì)的指針?biāo)鶐щ姾傻碾娦耘c橡膠棒上的相同，規(guī)定毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒帶負(fù)電荷，那么靜電計(jì)此時(shí)也是帶負(fù)電的.接下來(lái)用驗(yàn)電球與羊毛摩擦過(guò)的起電盤接觸，然后再靠近帶負(fù)電的靜電計(jì)，會(huì)發(fā)現(xiàn)指針張角幾乎不變，如果使驗(yàn)電球在起電盤上摩擦幾下再靠近靜電計(jì)的金屬球，會(huì)發(fā)現(xiàn)張角減小，難道說(shuō)起電盤帶的是正電荷？這個(gè)現(xiàn)象與經(jīng)驗(yàn)不符，因?yàn)槠痣姳P是用聚四氟乙烯材料制成的，用羊毛摩擦過(guò)的起電盤不是應(yīng)該帶負(fù)電嗎？問(wèn)題出在哪里？

帶負(fù)電的橡膠棒與靜電計(jì)的金屬球接觸時(shí)，靜電計(jì)的金屬球、金屬桿及指針上的負(fù)電荷是通過(guò)放電的形式得到，摩擦帶電的橡膠棒雖然電荷量少但是會(huì)在周圍產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)[3]，金屬球處在此強(qiáng)電場(chǎng)中會(huì)得到電子帶負(fù)電.當(dāng)驗(yàn)電球與起電盤的表面接觸時(shí)帶電的原理與橡膠棒使靜電計(jì)帶電的原理相同，為什么驗(yàn)電球會(huì)帶正電？多次實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)帶負(fù)電橡膠棒靠近靜電計(jì)的金屬球時(shí)會(huì)聽(tīng)到“呲呲”的放電聲，但是驗(yàn)電球與帶電的起電盤表面接觸時(shí)卻沒(méi)有聽(tīng)到放電聲.導(dǎo)體的尖端部分最容易放電，驗(yàn)電球與起電盤的表面接觸，起電盤的表面是平的，是否會(huì)影響放電？可以讓驗(yàn)電球與起電盤的邊緣接觸，然后再靠近帶負(fù)電的靜電計(jì)，發(fā)現(xiàn)指針張角增大了如圖3所示，說(shuō)明此時(shí)驗(yàn)電球帶的是負(fù)電，起電盤帶的也是負(fù)電.那么，為什么驗(yàn)電球與起電盤的表面摩擦后帶的是正電呢？驗(yàn)電球?yàn)榻饘俨馁|(zhì)，金屬與聚四氟乙烯摩擦后也會(huì)帶電，此時(shí)金屬球失去電子帶正電，聚四氟乙烯得到電子帶負(fù)電.

圖3 用靜電計(jì)檢驗(yàn)

也可以將實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)化，不用驗(yàn)電球從起電盤上取電，直接將帶電的起電盤靠近帶負(fù)電的靜電計(jì)，會(huì)發(fā)現(xiàn)張角增大，說(shuō)明起電盤帶負(fù)電.

2.1.2 用發(fā)光二極管檢驗(yàn)起電盤上電荷的種類

根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦?，用手指捏住二極管的負(fù)極，讓正極與起電盤接觸，如果二極管發(fā)光，說(shuō)明起電盤上的電勢(shì)較高，即起電盤帶正電；如果二極管沒(méi)有發(fā)光，可以將正負(fù)極對(duì)調(diào)，用手指捏住二極管的正極，讓負(fù)極與起電盤接觸，如果二極管發(fā)光說(shuō)明起電盤上的電勢(shì)較低，起電盤帶負(fù)電.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)用發(fā)光二極管的負(fù)極與起電盤接觸時(shí)會(huì)發(fā)光，如圖4所示，說(shuō)明起電盤帶負(fù)電.

圖4 用發(fā)光二極管檢驗(yàn)

2.1.3 用自制的正負(fù)電荷檢驗(yàn)器來(lái)檢驗(yàn)

正負(fù)電荷檢驗(yàn)器由三極管、電容、兩個(gè)發(fā)光二極管(紅色和綠色)、金屬絲、電源組成.利用三極管的開(kāi)關(guān)功能控制電路的通斷，由于三極管的放大作用，少量的電荷也可以被檢測(cè)到.當(dāng)金屬絲的尖端靠近帶電體時(shí)，如果帶電體帶正電，檢驗(yàn)器上的紅燈亮；如果帶電體帶負(fù)電，檢驗(yàn)器上的綠燈亮.當(dāng)用檢驗(yàn)器靠近起電盤時(shí)，綠燈亮了，如圖5所示，說(shuō)明起電盤帶負(fù)電.

圖5 用自制檢驗(yàn)器檢驗(yàn)

2.2 金屬取電盤與起電盤接觸后帶上的是哪種電荷及如何帶電的

通過(guò)前面的探究過(guò)程可知，用羊毛摩擦過(guò)的起電盤帶負(fù)電.接下來(lái)學(xué)生自己嘗試把取電盤放在起電盤上，并把紙花撒在取電盤上，手握取電盤的絕緣柄把取電盤抬起來(lái)，會(huì)發(fā)現(xiàn)紙花有時(shí)候會(huì)飛起來(lái)，有時(shí)候卻不能飛起來(lái).此時(shí)可以再給學(xué)生演示一遍實(shí)驗(yàn)過(guò)程，讓學(xué)生仔細(xì)觀察操作步驟，分析紙花不能飛起來(lái)的原因.得出的結(jié)論是：當(dāng)取電盤與起電盤上的接地螺絲釘接觸時(shí)紙花才能飛起來(lái)，也就是說(shuō)取電盤直接與起電盤接觸后并不容易帶電，說(shuō)明使取電盤帶電的方式不是接觸起電.

接地螺絲釘?shù)淖饔檬鞘裁?？可引?dǎo)學(xué)生回憶帶電球使枕形導(dǎo)體帶電的過(guò)程，不難想到，與接地螺絲釘相接觸的取電盤類似于接地的枕形導(dǎo)體.此時(shí)取電盤處于帶負(fù)電的起電盤產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)中，取電盤上的電子在電場(chǎng)力的作用下通過(guò)導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到地面上，取電盤失去電子帶正電.

為了驗(yàn)證取電盤上是否帶正電，可用靜電計(jì)進(jìn)一步檢驗(yàn).首先用羊毛摩擦橡膠棒，并讓橡膠棒與靜電計(jì)上端的金屬球接觸，使靜電計(jì)帶上負(fù)電.接下來(lái)用驗(yàn)電球與取電盤的表面接觸，然后再靠近靜電計(jì)的金屬球，會(huì)發(fā)現(xiàn)指針夾角幾乎不變，在探究過(guò)程中產(chǎn)生了新的疑問(wèn)：為什么驗(yàn)電球與取電盤接觸卻很難帶電？此時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生回憶導(dǎo)體表面電荷分布的特點(diǎn)，在導(dǎo)體外表面，越尖銳的位置，電荷的密度越大.當(dāng)驗(yàn)電球與取電盤的表面接觸時(shí)，由于取電盤表面是光滑的，電荷比較少，所以驗(yàn)電球很難帶上電，根據(jù)取電盤上電荷分布的特點(diǎn)，用驗(yàn)電球與取電盤的邊緣接觸更容易帶電，再將驗(yàn)電球靠近靜電計(jì)的取電球，會(huì)發(fā)現(xiàn)靜電計(jì)的指針夾角減小如圖6所示，說(shuō)明取電盤帶正電，與猜想一致.

圖6 檢驗(yàn)取電盤上電荷的電性

2.3 為什么紙花需要撒在取電盤上才能飛起來(lái)

既然起電盤和取電盤(金屬盤)都帶電，為什么把紙花撒在取電盤上才能飛起來(lái)，若是撒在起電盤上會(huì)怎樣呢？把帶電的起電盤靠近紙花，會(huì)發(fā)現(xiàn)紙花會(huì)被吸引到起電盤上并不會(huì)彈開(kāi)，如圖7所示.帶負(fù)電的起電盤在周圍激發(fā)強(qiáng)電場(chǎng)，紙花在電場(chǎng)中發(fā)生極化，靠近起電盤的一側(cè)出現(xiàn)正電荷，遠(yuǎn)離起電盤一側(cè)出現(xiàn)負(fù)電荷，兩種電荷量相等[4].但是起電盤激發(fā)的電場(chǎng)并不均勻，紙花靠近起電盤的一側(cè)電場(chǎng)更強(qiáng)，受到的電場(chǎng)力大于遠(yuǎn)離起電盤的一側(cè)，合力指向起電盤，所以紙花會(huì)被起電盤吸引.

圖7 紙花被起電盤吸引

如果用帶正電的取電盤靠近紙花，會(huì)發(fā)現(xiàn)紙花先被取電盤吸引，接觸后又被彈開(kāi),如圖8所示.紙花被取電盤吸引與被起電盤吸引的原因相同，但兩者材料不同，起電盤為聚四氟乙烯材料，取電盤是金屬盤.當(dāng)紙花與取電盤接觸時(shí)，在取電盤產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)下紙花相當(dāng)于導(dǎo)體，與取電盤接觸后，紙花上的電子轉(zhuǎn)移到取電盤上，紙花帶正電，取電盤也帶正電，同種電荷相互排斥，所以紙花會(huì)被彈開(kāi).

圖8 取電盤先吸引紙花后彈開(kāi)

3 探究過(guò)程總結(jié)

3.1 由電場(chǎng)力的性質(zhì)分析紙花飛起來(lái)的原因

實(shí)驗(yàn)裝置中的起電盤是由聚四氟乙烯材料制成的，利用羊毛摩擦起電盤，羊毛上的電子轉(zhuǎn)移到了起電盤上，使起電盤帶負(fù)電.將金屬取電盤靠近起電盤，在取電盤的下表面會(huì)感應(yīng)出正電荷，上表面感應(yīng)出負(fù)電荷如圖9所示.由于取電盤通過(guò)起電盤上的螺絲釘接地，在起電盤上負(fù)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)的作用下，取電盤上的電子會(huì)通過(guò)導(dǎo)線被導(dǎo)入地面.于是，取電盤下表面帶正電，上表面不帶電.

圖9 起電盤(下)和取電盤(上)的帶電情況

將取電盤抬起時(shí)，分布在取電盤下表面上的正電荷將分布在上下表面上，與取電盤上表面接觸的紙花也帶上了正電荷，由于同種電荷相斥，紙花在取電盤上正電荷產(chǎn)生電場(chǎng)的作用下將會(huì)脫離取電盤向上運(yùn)動(dòng)，于是出現(xiàn)了飛花的一幕如圖10所示.

圖10 取電盤上的電荷分布

3.2 從電場(chǎng)能的角度分析紙花動(dòng)能的來(lái)源

3.3 本次探究實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的作用

本次探究實(shí)驗(yàn)按照靜電飛花實(shí)驗(yàn)的操作步驟引導(dǎo)學(xué)生逐步進(jìn)行探究，提出問(wèn)題，解決問(wèn)題.探究過(guò)程中涉及摩擦起電、感應(yīng)起電、電容器、電場(chǎng)能的性質(zhì)等知識(shí)，學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的同時(shí)發(fā)展科學(xué)思維，形成科學(xué)態(tài)度[5～7].