第九章 静电场 实验与活动

自主活动  检测物体是否带电

活动指导

活动目的：

（1）利用验电器检测物体是否带电。

（2）利用数字式静电计检测物体所带的电荷量。

实验装置如图 9 - 1 所示。验电器是一种检测物体是否带电以及粗略估计带电物体所带电荷量多少的仪器。当被检验物体接触验电器顶端的金属球时，自身所带的部分电荷会传到玻璃罩内的金属箔片上。由于同号电荷相互排斥，金属箔张开；电荷量越大，张开的角度越大。如果物体不带电，则金属箔不动。根据两金属箔片张角的大小可估计物体所带电荷量的多少。

实验所用数字式静电计如图 9 – 2 所示。通过数字式静电计的液晶显示屏即可以观察到物体所带电荷的正、负以及电荷量的多少。使用数字式静电计时要注意以下两点：一是测量前先按下调零按钮将电荷量的显示归零；二是所用数字式静电计的量程（− 100 ~ + 100 nC）。

图 9 – 2

数字式静电计不仅使我们体验和检验看不见的电荷量，还可以对其进行定量测量。在实验过程中，可能数字式静电计的示数较小，此时可将摩擦后的带电体在金属球上前后移动，从而增加静电计顶端的金属球所带的电荷量，使得实验现象更明显。

思考

用验电器下方金属箔张角变化来显示物体所带电荷量的多少与用数字式静电计检测物体所带的电荷量的区别在哪里？

2 自主活动  模拟静电场的电场线

活动指导

活动目的：

（1）观察孤立电荷周围的电场线分布。

（2）观察等量异号电荷周围的电场线分布。

（3）观察等量同号电荷周围的电场线分布。

针状晶体或头发屑在电场中由于极化而在电场中有规律地排列，它们的排列走向顺着电场力的方向。我们可以观察到针状晶体或头发屑按电场强度方向排列起来，从而可以形象地模拟静电场电场力的大致分布，实现模拟各类典型电场线的实验目的。

实验装置如图 9 – 3 所示，把奎宁（一类植物树皮中的生物碱）的针状晶体或头发屑悬浮在蓖麻油或洗洁精中。利用手摇起电机产生的高压加在实验装置中不同形状的电极上，电极是电荷集中的地方，其周围存在电场。针状晶体或头发屑这类细小的绝缘体在电场中会顺着电场力的方向排列。此实验也可借助高压电极与水平玻璃板上细小的石膏晶粒或食用油上漂浮的草籽等来进行。

我们观察到针状晶体或头发屑的排列好像一条条曲线，可以形象地模拟静电场的大致分布，从而实现模拟各类典型电场线的实验目的。

思考

必修第三册教材第 12 页上的节导图所展示的科技馆“怒发冲冠”项目的原理是什么？请给出你的解释。

3 自主活动  带电粒子在电场中的偏转

活动指导

活动目的：

（1）观察电子束在电场中的偏转情况。

（2）改变偏转极板电压的极性，观察电子束在电场中的偏转情况变化。

阴极射线是从低压气体放电管的阴极射出的带负电的电子流。阴极射线在电场中偏转的实验装置如图 9 – 4 所示，在阴极射线管左、右两端连接直流高电压，阳极端接高电位，就会有电子束从阴极射向阳极。利用荧光屏可清晰地显示出电子束运动的径迹（电子束肉眼并不可见，但高速电子束打到荧光粉表面时可使荧光屏发光）。在荧光屏前有一狭缝，射线（电子束）只能从狭缝中通过并沿直线前进。在电子束经过路径的上下方有一对平行金属板，称为偏转极板。通过控制偏转极板施加的电压，观察电子束的偏转情况。

将感应圈（可提供直流高压）的两个电极分别连接阴极射线管的左、右两端，左端阴极接高压电源的负极，右侧阳极接高压电源的正极。接通感应圈后，阴极射线管的荧光屏上出现一条绿色的水平亮线。然后，将学生电源（直流、低压）的正、负极分别连接两块平行偏转极板，将学生电源的电压分别调节为 0、10 V、20 V 等，接通学生电源后，观察绿色亮线的偏转情况。最后，调换偏转极板的极性，重复上述实验步骤。

可观察到：当偏转极板之间未加电压时，电子束不发生偏转；当偏转极板之间施加上负下正的电压时，电子束在电场力的作用下向下偏转（图 9 - 5）；当偏转极板之间施加上正下负的电压时，电子束在电场力的作用下向上偏转。

思考

如果仅增大偏转极板之间的电压，电子束的偏转方向以及偏转程度是否发生变化？

4 学生实验  观察电容器的充、放电现象

实验指导

1．实验说明

电容器在充电和放电过程中，电路中的电流及电容器两极板间的电压均随时间变化。因此，可以通过观察与电容器串联的灯泡的亮度变化来了解电容器两极板间的电压和电路中电流随时间的变化情况；也可以利用电压传感器与电流传感器来观察。根据电压传感器的示数，了解电容器两极板间的电压在充电、放电过程中随时间的变化情况；根据电流传感器的示数，了解电容器充电、放电时电路中电流的方向和大小随时间的变化情况。

2．实验操作

（1）实验方法

本实验两种方案的参考电路分别如图 9 - 6（a）、（b）所示，其中 S 为单刀双掷开关，S 接通接线柱 1 时为充电电路，接通接线柱 2 时为放电电路。采用如图 9 - 6（b）所示的方案时，应合理设置电源电压 E、固定电容器 C 和电阻 R 的值，使充电、放电过程中的电流传感器和电压传感器既能工作在量程范围内，又能使电流和电压的示数有明显变化，同时还要有恰当的充电、放电时间。

图 9 - 6

（2）实验步骤

方案一：

① 如图 9 - 6（a）所示，将各部分元器件组装，固定电容器可选用 100 μF、470 μF 等。

② 闭合开关 S₁，拨动单刀双掷开关 S，使其先后置于充电、放电位置使电容器充电和放电，观察灯泡的亮度变化。

③ 数据收集：

观察和记录电容器的充、放电过程中灯泡的亮暗变化情况。

方案二：

① 如图 9 - 6（b）所示，将各部分元器件组装，固定电容器可选用 100 μF、470 μF等。

② 闭合开关 S₁，开始记录，拨动单刀双掷开关 S 对电容器充电和放电。分别观察电压传感器采集的 U - t 图像和电流传感器采集的 I - t 图像。

③ 数据收集：

观察电容器充、放电的 U - t 图像和 I - t 图像。

实验报告

实验名称

观察电容器的充、放电现象

实验目的

本实验的目的是学习使用常见电路元器件电容器。学习使用电压传感器和电流传感器来观察电容器在充、放电过程中电路中的电流变化和电容器两极板间的电压变化，以形成对充、放电过程的正确认识。

实验原理

图 9 – 7 为电容器充、放电的原理图。如果将单刀双掷开关 S 掷向接线柱 1，电源、电阻、电容器通过导线形成电路，电路中电荷移动使电容器两极板分别带上等量异号电荷。这个过程称为对电容器充电。每个极板所带的电荷量的绝对值叫做电容器所带的电荷量。随着极板上积累的电荷量不断增大，电容器两极板间的电势差 U 逐渐增大。当两板间电势差增大至与电源两端电压相等时，电路中不再有电流流动，电容器的充电过程完成。

当电容器充电完成时，将单刀双掷开关 S 掷向接线柱 2，电容器上的电荷中和放电，极板上电荷量下降，两极板之间的电势差 U 也随之下降。当极板上的电荷量降为 0 时，两极板之间电势差也下降为 0，电容器最终不再带电，电容器的放电过程完成。

实验器材

稳压电源、固定电容器、单刀双掷开关、灯泡（方案一）、电压传感器（方案二）、电流传感器（方案二）、数据采集器（方案二）、计算机（方案二）等。

实验方法与步骤

方案一：根据如图 9 - 8 所示的电路，通过灯泡的亮度变化情况观察电容器的充电和放电过程。

实验步骤：

（1）按图 9 – 8 将各部分元器件组装，固定电容器可选用 100 μF、470 μF等。

（2）闭合开关 S₁，拨动单刀双掷开关 S 置于接线柱 1，观察电容器充电时灯泡的亮度变化。

（3）拨动单刀双掷开关 S 置于接线柱 2，观察电容器放电时灯泡的亮度变化。

方案二：根据如图 9 – 9 所示的电路，利用电压传感器和电流传感器，代替电压表和电流表，分别采集电容器两极板间的电压、电路中的电流信号，得到电容器充、放电时电压 U 和电流 I 随时间 t 变化的图像，从而了解电容器的充电和放电过程。

实验步骤：

（1）按图 9 – 9 将各部分元器件组装，固定电容器可选用 100 μF、470 μF 等。

（2）打开专用软件中学生实验“观察电容器的充、放电现象”。

（3）先后点击“开始记录”与“传感器调零”。

（4）闭合开关 S₁，拨动单刀双掷开关 S 置于接线柱 1，观察电容器充电时，电压传感器采集的 U – t 图像和电流传感器采集的 I – t 图像。

（5）当 U – t 图线平缓上升趋于稳定后，拨动单刀双掷开关 S 置于接线柱 2，待 U -t 图线再次稳定后，点击“停止记录”。观察电容器放电时，电压传感器采集的 U - t 图像和电流传感器采集的 I – t 图像。

实验数据处理

观察到电容器究、放电的 U – t 图像和 I – t 图像：

结果分析与实验结论

（1）结果分析：__________________________________________________________。

（2）实验结论：__________________________________________________________。

讨论与思考

更换另一电容值不同的电容器，重复上述实验步骤。观察 U – t 图像和 I – t 图像的变化，比较异同。

5 自主活动  体验静电复印

活动指导

活动目的：

体验静电复印的原理。

利用干燥的丝绸与干燥、绝缘的塑料板摩擦起电，使得塑料板带上与丝绸等量的异号电荷。塑料板上手指划过之处的电荷被传导出去，故塑料板上手指写过字的地方并不带电。塑料板上带电的部分能够吸引轻小物体，不带电部分的细木屑（或粉笔屑）被抖落。

准备一块干燥的塑料板、一块干燥的丝绸和一些干燥的细木屑（或粉笔屑）。把塑料板放在桌面上，用丝绸在塑料板上用力摩擦，使绝缘塑料板带电。再用手指在塑料板上缓慢移动写字，比如写一个“大”字。然后把干燥的细木屑（或粉笔屑）均匀地撒在塑料板上，竖起塑料板并轻轻敲击，塑料板上就会留下一个空心的“大”字。

思考

如果想在塑料板上留下一个实心的“大”字，能否给出你的具体做法？

6 学期活动  自动体外除颤器

活动内容与要求

1．调查研究学习活动一般以课题小组合作研究为基本组织和实施形式。每组可由同一班级内的3 ~ 5 人组成（若条件成熟，也可以跨班组建）。课题组内要进行课题分工和角色分工，每个成员都要承担一部分相对独立的课题调查研究工作或成果展示工作。

2．每组可基于自身兴趣选择并确定调查研究的主题。课题组活动时间可统一安排在课余时间或双休日进行。

3．若调查报告涉及引文标注，应采用顺序编码制，采用“脚注”方式放置于每页正文的最下方。

4．若涉及问卷调查，需设计问卷，详细记录、分析调查数据，并体现在宣传海报中。

5．完成一份调查研究报告，同时绘制宣传海报。期末在学校或班级内展示交流，对各组的调查报告和宣传海报进行自评和互评。

活动指导

围绕主题“心源性猝死的抢救方法”开展分组探究活动，可自行确立与自动体外除颤器（AED）相关的调查研究主题，也可从以下给出的主题中选择一个开展调查研究。参考主题如下：

1．调查心源性猝死的症状与抢救方式，绘制心肺复苏操作方法的宣传海报。

2．调查为什么要在公共场所安装自动体外除颤器，绘制你所在学校及周边区域的该设备分布图。

3．调查寻找学校自动体外除颤器的数量和谩置位置，绘制使用方法的宣传海报。

4．调查自动体外除颤器的工作原理，将其中涉及静电场的相关知识绘制成科普海报。

5．调查自动体外除颤器的使用现状及公众认知度、满意度，绘制调查结果图并撰写调查报告。

这是一个调查与宣传类活动。自动体外除颤器在学校、地铁站、商场等人流密集的公共场所越来越常见，因此，很有必要对其工作原理、设备分布和使用方法等进行宣传普及。本学期活动的内容见必修第三册教材第 40 页。

参考资料

1．调查报告样例：

由于自选的主题种类不同，故调查报告的格式不做限制。

2．宣传海报样例：

如图 9 – 11 所示。

评价量表

表 9-1

本章实验与活动部分解读

1．自主活动  检测物体是否带电

用验电器下方金属箔张角变化来显示物体所带电荷量的大小与用数字式静电计屏幕上显示物体所带电荷量的区别在哪里？

参考解答：验电器只能检测物体是否带电，无法判断电性。数字式静电计可判断电性，同时还能定量显示物体所带的电荷量。

命题意图：通过实验，了解静电现象。了解验电器和数字式静电计的异同。

2．自主活动  模拟静电场的电场线

教材第 13 页节导图所展示的“科技馆的怒发冲冠项目”的原理是什么？能否给出你的解释？

参考解答：怒发冲冠的原理与此自主活动原理相同，是头发在电场中受到电场力的作用有规律地排列，它们的排列走向顺着电场力的方向。

命题意图：通过实验观察到针状晶体或头发屑按电场强度方向排列起来，从而可以形象地模拟静电场电场线的大致分布，解释节首图的原理。

3．自主活动  带电粒子在电场中的偏转

如仅增大加速极板之间的电压，电子束的偏转方向以及偏转程度是否发生变化？

参考解答：如仅增大加速极板之间的电压，电子束在电场中的偏转方向不变，但偏转的弯曲程度会减小。

命题意图：认识电场对带电粒子的作用，能分析带电粒子在电场中的运动情况。

4．学生实验观察电容器的充、放电现象

更换另一电容值不同的电容器，重复上述实验步骤。观察“电压 U – 时间 t”图像与“电流 I – 时间 t”图像的变化，比较异同。

参考解答：电容器的电容对充、放电时间有影响。如更换电容更大的电容器，发现电容器充、放电所需时间变长；更换电容更小的电容器，发现电容器充、放电所需时间变短。

命题意图：能使用实验图像进行分析，用实验中获得的证据表达自己的观点。

5．自主活动  体验静电复印

如想在塑料板上留下一个实心的“大”字，能否给出你的具体做法？

参考解答：用丝绸在塑料板上用力摩擦，使绝缘塑料板带电。在塑料板除“大”字以外的部分均用手指缓慢划过。然后再把干燥的细木屑（或粉笔屑）均匀地撒在塑料板上，竖起塑料板并轻轻敲击，可留下一个实心的“大”字。

命题意图：提出猜想，设计实验步骤并通过实验检验猜想。

发布时间：2022/8/27 下午10:36:06  阅读次数：3155