通过验电器理解电势差

培养电压的概念。所需时间30分钟。

实验内容

用导线连接带电的验电器。通过箔的张开程度来判断电流流向。这样同学们就会明白驱动电子移动的力量有大小,从而引出“电势差”的概念。因为这种现象在电池之间也会发生,我们可以用不同的方式连接电池,并测量一下其两端的电势差。

所需材料

验电器2个1组,带电体的组合(如包装食物用的锡纸和易拉罐,吸管和纸巾等),裸铜线,铝箔(纸片验电器中分离出来的即可,如果用做饭用的铝制品,要选较薄的),几节电池,电压计。

实验方法

如果不从静电开始进入电的学习,这个实验就不能成立。要想回答什么是电这个根本问题,就得从静电学到流动的电。之所以这样说是因为只有学习了静电,我们才能理解并学习电的一些基本性质,如:所有的物质都能产生电(即电是物质的构成要素之一,原子是由质子和电子构成的);电荷的种类及其相互作用;移动的电是电子在移动,而不是质子在移动;金属等导体中存在自由电子,电流就是这些自由电子在移动等等。如果不能明确导体内移动的电流是电子的话,以后在学习离子的特征时,也不能说清楚。

【用验电器理解电势差】

图1

1.先向同学们说明,验电器的原理是验电器电子的移动,即静电诱导,使同学们理解当箔的电子个数并不与质子数相同,而是或多或少时,箔片会张开。

2.然后想一想将带负(-)电张开的验电器和箔片没有张开的验电器(叫做电的中性状态)用铜线连接的话,会怎样呢(如图1-1)?用电子的移动来思考并推测一下。结果是两个验电器的箔片都半张开,而且两个都带负(-)电。由此我们可以明白,在连接两个导体的瞬间,电子发生了移动。当双方的电量相等时移动停止。下面我们再推测一下。当带负(-)电半张开的验电器与中性的验电器连接时会怎样(图1-2)。

3.这次,将带正(+)电完全张开的验电器与中性的验电器用铜线连接,推测箔片会怎样变化,并用实验证明自己的推断。(图1-3)

4.一个带负(-)电的验电器与一个带正(+)电完全张开的验电器相连,推测箔片会怎样变化,并思考哪一个会带电(图1-4)。

5.最后将一个带负(-)电完全张开的验电器与一个带正(+)电半张开的验电器相连,推测箔片会怎样变化,带什么电(图1-5)。

6.通过上述一系列的实验,我们会明白当推动电子的力量有大小时,电子将移动。力量一样大时不移动。这时告诉同学们这个让电子移动的力叫电势,它们的差叫电势差。传统上认为推动电流流动力量大的一方电势高,但因我们一直以电子的移动为中心,所以我们称推动电子流动力量大的一方电势高。电势的单位是V,电势差在实际应用中就称为电压。

【用电池理解电势差】

1.普通的电池都注明电压为1.5V、这个值既是电池最初使用时的电压,也是其正负极的电势差。电势差通常用电压计来测量。

图2
图2

先来练习一下它的使用方法。只要放在想要测量电压的两点间即可。连接的一瞬间若指针逆时针旋转,将导线反转即可。为了区别与电流计连接方法,我们要强调必须连接在两点之间。

要告知同学们“你想知道的电流全部都要通过电流计”,并强调电流计一定要串联连接到电路中(如图2)。

把电池用不同的方式连接,推测并测量出其电压值。图3-1是串联,这时我们可以推测出b-c,d-e之间的电压为0,并实际测量一下。用导体连接时,再确认一下它们的电势是否相同。

图3
图3

如图3-2-A那样只逆接一节电池就会有很多种推测结果。如果像3-2-B那样两端同极连接的话就更有意思了。肯定会有很多同学认为电压为0V,这说明验电器实验中得出的结论他们还没有完全理解。

最后用这种连接方法串联上电流计和小灯泡并点亮它。但因为有电路负荷时逆接电池会给电池充电而导致电池发热,所以应避免用此方式进行长时间实验。

图3-3是并联,要用多节电池并联,这是因为有些同学可能会认为电池变多,情况会有变化。

若使用1号,5号,或者9V的蓄电池(006P),方形电池等不同种类的电池做此实验,可使电压的概念一般化。

【电路中的电势差】

如图4,将一根长1m的发热电阻丝拉直,两端加上10V电压。这时中点C与两墙的电位差是多少呢?再进一步思考任意两点间的电势差是多少。还要让同学们牢记电流流动时一定有电势差。然后把小灯泡挂在发热电阻丝下并点亮它。

图4
图4

图5的实验也很有意思。在电解质的水溶液(如食盐水,或稀盐酸,食醋等)中加上直流100V电压,将连接小灯泡的导线放在水中不同的位置,可以看到小灯泡一会儿变亮,一会儿变暗。当电压低到小灯泡无法点亮时,可在导线上放一块导电板,或者将导线卷起来,以增加导线与水溶液的接触面积(因为与电灯连接,所以应注意避免让孩子们接触到不锈钢板或者水溶液)。用适当的电压点亮2.5V小灯泡或LED,因为电源电压为100V,所以有些学生会觉得这样会烧坏小灯泡或LED。用电压计测量一下就会发现有些点显示的电压为0V。只要选取适当的方法,就可以找到其中的规律,画出一个等电势图来。

图5
图5

下面思考图6的应用问题。铝板相当于电器的接地一方,所以该点的电势差为0。

图6
图6

图7也是一个应用问题。想把2.5V的小灯泡接到100V的电源上,该怎么办呢?这是圣诞树上装饰灯的问题。只要一个地方连不对就都不亮,这里大家就会明白串联连接的性质。

图7
图7
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发布时间:2014/5/8 下午6:39:57  阅读次数:6364

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