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用单片验电器演示导体表面电荷密度分布实验探究(物理论文)

来源:[db:来源] 编辑:admin 时间:2017-11-03
    导体表面电荷密度的分布是静电学教学的重要内容。表面电荷密度的大小与导体表面的曲率有关,曲率大处的表面电荷密度大,附近空间的电场强度也强。曲率小处的电荷分布密度比较小,附近空间的电场强度也弱。由于电荷很小,电荷在导体上的分布学生无法直接观察到,理解起来也不容易。直观地演示实验现象能很好地帮助学生认识、理解
    物理现象和物理规律。在教学中作者设计制作了演示现象明显的实验方法,教学效果好。
    普通验电器有两个金属箔片。它是应用两个金属箔片带电后的相互作用引起的张角来检验电荷,用张角的变化来检验电荷电性和电量。
    单片验电器只有一个箔片,它与相连的导体带相同的电荷。箔片与导体的张角在小反映的是箔片上的电荷与附近带电体产生的电场作用。
    单片验电器分为转轴与箔片两个部分。转轴用截面为圆形的铜丝做成。将做转轴的铜丝分布三部分,两端两部分弯成圆弧形,圆弧形的半径与相应的导体部分半径相同;中间部分呈几字形。用金属箔片剪成宽0.5cm,长5cm的箔片,把箔片的一端卷成半径略大于转轴半径的圆筒,事先套在转轴的几字型部分顶部,几字型的各部分长度以箔片能够自由旋转为宜。让箔片平面与导体表面平行,将转轴套在导体外面,转轴两端用胶带粘在导体上。导体、单片验电器转轴和金属箔片连接成一体。
    2 尖形导体电荷密度分布实验
    将安放有单片验电器的尖形绝缘导体与感应起电机的一个电极相连,把放电球分开一定距离,感应起电机的另一个电极接地,然后慢慢摇动感应起电机,使导体带电,就可以观察单片验电器的箔片张开一个张角。导体达到静电平衡的速度很快。在实验中,起电机停止后实验现象能保持较长时间,实验完全满足静电平衡条件。
    图1是利用尖型绝缘导体进行实验的情况。在尖形绝缘导体的柱形部分和锥形部分分别装有完全相同的单片验电器,将尖形绝缘导体与感应起电机相连接。使尖形绝缘导体带电,就可看到在带电尖形绝缘导体锥形部分的箔片首先张开了一个角度,柱形部分处的单片验电器箔片不张开。图1的实验中绝缘尖形导体是水平放置,当带电量较小时,若电场对金属箔片产生的电场力矩小于重力矩时,金属箔片不张开。可见,图1的实验方法灵敏度低,不好比较。尖形绝缘导体的柱形部分曲率较单一,分析、比较与理解容易;锥形部分曲率是变化的,分析、比较难度较大,给学生观察产生困难。
    3 柱形组合导体电荷密度分布实验
    图2是用直径分别为47.2m m和18.2 m m,长15.00cm的两个不锈钢圆柱形导体,边缘打磨光滑后连通并组合在一起而成的导体。导体呈垂直方向放置,导体的不同圆柱形桶上分别安放了相同的单片验电器,导体与起电机连接。用起电机使导体带电,就可观察到直径大的部分处单片验电器张角小,直径小的部分处单片验电器张角大。用柱形组合导体做实验,灵敏度高。
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