2020年靜電實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索論文.doc

靜電實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索論文 論文關(guān)鍵詞：靜電靜電實(shí)驗(yàn)靜電產(chǎn)生 論文摘要：靜電實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)教學(xué)成功的關(guān)鍵。 靜電實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)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(yàn)，原因是影響靜電實(shí)驗(yàn)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(yàn)的規(guī)律，分析影響實(shí)驗(yàn)的各種因素，抓住主要矛盾，有針對(duì)性地解決問題。方能在一個(gè)具體實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下，把握試驗(yàn)關(guān)鍵，確保靜電實(shí)驗(yàn)成功。 一、靜電研究的歷史 古代人們對(duì)自然界中的各種電現(xiàn)象，不了解他們內(nèi)在的聯(lián)系，認(rèn)為它們是各不相干的。有些現(xiàn)象實(shí)在無法解釋，只能求助于神的力量。16世紀(jì)英國(guó)御醫(yī)吉爾伯特是第一個(gè)比較系統(tǒng)地研究了靜電現(xiàn)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(guó)社會(huì)活動(dòng)家富蘭克林用風(fēng)箏將雷電引下來，把“天電”收集到萊頓瓶中，從而弄明白“天電”和“地電”原來是一回事。18世紀(jì)后期，貝內(nèi)特發(fā)明驗(yàn)電器，這種儀器一直沿用到現(xiàn)在。它可以近似地測(cè)量一個(gè)物體上所帶的電量。另外，庫(kù)侖發(fā)明了扭秤，用它來測(cè)量靜電力，推導(dǎo)出了庫(kù)侖定律?？茖W(xué)家使用了驗(yàn)電器和扭秤以后，靜電現(xiàn)象的研究工作就從定性走到了定量的道路。經(jīng)過長(zhǎng)期對(duì)自然現(xiàn)象的觀察和研究，人們對(duì)靜電現(xiàn)象有了一定程度的認(rèn)識(shí)。但是對(duì)電的本質(zhì)問題，一直到研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(dú)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(fù)電荷兩種，同種電荷相排斥，異種電荷相吸引。導(dǎo)體上所帶的電荷是可以自由移動(dòng)的自由電荷，以傳導(dǎo)方式實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移；而絕緣體帶電情況與導(dǎo)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(xiàn)，不能以傳導(dǎo)方式轉(zhuǎn)移，而是以放電形式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移。所以，帶電的絕緣體與導(dǎo)體接觸后，導(dǎo)體上所得到的電荷是通過放電形式轉(zhuǎn)移而來的，即金屬中的電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，從金屬表面逸出，導(dǎo)體表面電荷集中部分最易發(fā)生這種現(xiàn)象。我們通過接觸可以實(shí)現(xiàn)絕緣體與帶電體上電荷的轉(zhuǎn)移，但其本質(zhì)上不是傳導(dǎo)而是放電，這個(gè)問題的正確理解，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(fù)電的電子，由于正、負(fù)電荷相等，一般物體呈中性而不帶電。但當(dāng)物體經(jīng)過摩擦、加熱、感應(yīng)、照射等變化，往往使物體獲得或失去一些電荷（電子），呈現(xiàn)帶靜電狀態(tài)。由此可見，靜電產(chǎn)生是具有多樣性和復(fù)雜性。 三、實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)移到另一物體，從而使前者帶正電，后者帶負(fù)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(zhuǎn)移的機(jī)會(huì)，加之摩擦溫度升高，加速了電子轉(zhuǎn)移。但是，從物理本質(zhì)上來講，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(xiàn)電子在兩種材料的轉(zhuǎn)移而使之帶電，而只有快速反復(fù)而不緊壓的摩擦是不易生電的，有經(jīng)驗(yàn)的教師是用緊壓的摩擦來成功使物體帶電的。實(shí)驗(yàn)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)相反的反常現(xiàn)象。研究后認(rèn)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(fù)電，在空氣特別干燥時(shí)，絲綢上的電子不易漏失。當(dāng)與第二根玻璃棒一起摩擦?xí)r，由于摩擦次數(shù)較少或較輕，不僅沒有使玻璃棒失掉電子，反而把絲綢上的多余電子轉(zhuǎn)移到玻璃棒上，使第二根玻璃棒帶負(fù)電，發(fā)生兩棒相吸現(xiàn)象，為防止反?，F(xiàn)象發(fā)生，第二次絲綢與玻璃棒摩擦起電前，應(yīng)用手充分與絲綢接觸，使絲綢原先所帶負(fù)電荷放凈后，再于玻璃棒摩擦。 2.感應(yīng)帶電也是靜電實(shí)驗(yàn)中較常用的方法。靜電感應(yīng)是靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體內(nèi)，自由電荷受到場(chǎng)力作用移動(dòng)，電荷重新分布，最后達(dá)到靜電平衡，從而使導(dǎo)體不同部位出現(xiàn)正、負(fù)電荷的現(xiàn)象。感應(yīng)帶電是在靜電感應(yīng)的條件下，使導(dǎo)體的一端接地后，去掉靜電場(chǎng)，則導(dǎo)體另一端的電荷重新分布在導(dǎo)體表面，用這種方法使導(dǎo)體帶電的優(yōu)點(diǎn)是：導(dǎo)體容易帶電且?guī)щ娏恳惨卓刂?，需注意?dǎo)體是處于與地絕緣狀態(tài)。 3.實(shí)驗(yàn)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(dá)一萬多伏，靜電的電量小、電容小。為什么電壓高呢？原來兩導(dǎo)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=S/d如果介電常數(shù),極板面積S保持不變，則電容與極板間距離成反比。舉例說明：如兩物體緊密接觸時(shí)，其間距離為2510-8厘米，其接觸電位差很小，當(dāng)兩物體迅速離開至0.1厘米時(shí)，由于距離增大為原來的40萬倍，電容則減小為原來的40萬分之。如果分離前后物體上電量保持不變，電壓將升為原來的40萬倍。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(dá)4千伏。因此，數(shù)萬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電容，而不是電量。故其電量小，但電壓高。 靜電在高電壓的特征下，對(duì)絕緣體材料性能的要求相應(yīng)也很高。有些教師在流電實(shí)驗(yàn)范圍形成的絕緣體概念，在靜電范圍許多材料卻是亞導(dǎo)體，電荷易漏失，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。因此靜電實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體，而電阻率為107獈1014歐姆米的物體只能算亞導(dǎo)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(yàn)中，要選好用的靜電絕緣體。如：有機(jī)玻璃，各種塑料，硬泡沫塑料，石蠟等等，而不能用亞導(dǎo)體：棉線，紙張，木材，橡膠，膠木，玻璃等做絕緣體，認(rèn)識(shí)這一點(diǎn)是查找靜電實(shí)驗(yàn)失敗原因的關(guān)鍵。 在靜電實(shí)驗(yàn)中，影響實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致其絕緣性能下降致使實(shí)效差或根本做不出來。解決的方法是，在潮濕的天氣條件下，在實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)過程中，最好用鎢燈烘烤。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，空氣濕度對(duì)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(yàn)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(duì)教學(xué)內(nèi)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(yàn)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)