|
1 引言 在中学物理实验中,最不容易成功的实验是静电实验,静电实验偶然性大,在实验室里准备时能做成功,一到教室上课实验就莫名其妙地不灵了。所以说,静电实验是中学物理实验的一个难点。为了上好静电实验课,我们设计了许多静电实验仪器,其中最成功的是“尖端放电式静电电动机“。我们知道通常用的电动机都是由直流电和交流电供电,通过电磁转换,磁场作用驱动转子运动。而我们设计制作的静电电动机利用高压静电来供电,根据高压静电的尖端放电能驱动风轮转动,在我们的实验研究过程中可以看到许多静电现象。下面介绍我们的“尖端放电式静电电动机“(下称静电电动机)的研制、实验研究及过程分析。 2 实验器材 ①有机玻璃板;②涤纶薄膜硬片;③直径为1mm的黄铜棒(或铁棒);④铁支座;⑤直径为2~3mm的黄铜棒;⑥木板;⑦直径为0.5mm细黄铜杆;⑧静电感应起电机。 3 制作过程 (1)转子的制作:如图1所示,取一块极薄的有机玻璃板,将其制成两块直径约为
(2)定子的制作:取两根直径为2~ (3)组装 将转子A放置在两定子B1和B2之间,转子与定子不能相碰,并使定子B1和B2上铜针尖方向指向圆柱状转子A的切线方向,定子的针尖离开转子的距离约3~5mm。如图3所示。取两块直径为15cm的铝板C1和C2,装上塑料柄,将塑料柄分别固定在铁支座M1和M2上。再找两枚缝被针D1和D2装上塑料柄后,将它们的塑料柄固定在铁支座N1和N2上。用导线分别将铝板 C1和C2与定子B1和B2的铜棒相连接,用导线分别将针尖D1和D2与静电感应起电机的正电极和负电极相连接,(静电感应起电机图3中未画出,它是中学物理实验室中常用的教学仪器),使针尖D1和D2分别离开铝板的距离约为4~ 8cm。 转动静电感应起电机,起电后,我们将可以观察到一个奇异而有趣的现象,尽管静电电动
机并没有和任何电源相连接,但是静电电动机的转子A却以一定的转速顺时针方向旋转起来了。 4 实验分析 如何来解释这个现象呢?我们尝试用静电的尖端放电现象来解释。为了方便,我们将图3改画成如图4的示意图(俯视图)。和起电机电极相连接的金属针尖D1和D2。为了方便,我们只讨论针尖D1(针尖D2的情况可作类似讨论)。当起电机起电后,针尖D1从起电机的正电极上获得了大量正电荷,使D1上的电荷密度达到很大,这样在针尖D1附近的电场强度相当大,形成了尖端放电现象。结果使空气分子发生电离,在空气中就产生了大量的正离子和负离子,其中负离子被带正电荷的针尖D1所吸引而趋向针尖D1,而正离子则被带正电荷的D1所排斥,而移向铝板 C1,随着时间的推延,铝板C1积累了大量正电荷,同样的原理,由于D2的尖端放电现象,使铝板C2积累了大量的负电荷。这样与铝板C1和C2相连接的定子B1和B2的针尖,也聚积了大量正电荷和负电荷。类似上述分析,B1和B2上的针尖,同样也会同时发生尖端放电现象,在B1和 B2的针尖前方的转子的绝缘圆柱体上集结了大量正电荷和负电荷,根据同种电荷相斥的原理,转子A受到静电力的力偶矩作用发生旋转,当转子旋转180°过以后,在转子上的电荷极性同时发生变化,因此转子就能不停地旋转。只要我们不断地旋转静电感应起电机,使定子B1和B2上的电荷得到不断补充,那么转子就能在电场作用下,连续转动下去。这种电动机的奇妙之处就在于它并不和高压电源(包括各种起电机)的电极直接相连。
本实验要求的较干燥的天气中进行,这样实验容易成功。如果天气过分潮湿会造成静电感应起电机不易起电,而且金属针尖、铝板也会因绝缘棒漏电而不易堆积电荷,这样尖端放电静电电动机轻则旋转很慢,重则停止转动。 5 总结 “静电电动机”的在课堂上公开演示后,得到了老师和同学的一致好评,认为用“静电电动机“这个装置来实验研究静电现象,增加了实验的趣味性、可做性、创造性,具有更好的实践研究价值,开阔了同学们的视野。这个实验不仅可以作为演示实验用,也可以布置学生自己设计制作课外实验研究,提高实验的技巧和技能,培养学生分析研究问题的能力和创新素质。
|
|
|
