谈电压表、验电器、静电计的教学设计，本文主要内容关键词为：验电器论文,电压表论文,教学设计论文,静电论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
验电器、静电计、电压表是研究电学知识的重要实验仪器，但对于这3种仪器在结构、作用方面的异同，多数学生并不十分清楚，在处理这3个仪器的有关问题中经常错误百出。例如认为“只要把验电器的金属箔换成金属指针就变成了静电计”，“验电器可以用来检验和比较不同带电体所带电荷量的多少”“静电计不能用来测量直流电路中的电势差”等。对于这些似是而非的知识，很多学生的认识模棱两可，说不清楚。为了澄清上述问题，如果仅仅对这些仪器在结构和作用方面的差异作简要辨析，学生接受起来不太容易，兴趣也不是很浓厚，事后的印象也不深刻，时间稍长三者又混为一谈。为此，我事先设计了2道有关这些仪器的习题，里面“暗礁”丛生，学生一不小心就会“出险”。
课前，我先利用投影仪在黑板上投影了以下2道题目：
例1 图1所示，平行金属板A、B组成电容器，充电后与静电计相连。要使静电计指针张角变大，下列措施可行的是
A.A板向上移动。
B.B板向右移动。
C.A、B间充满电介质。
D.使A板放走部分电荷。
例2 图2所示的静电实验中，已知电容器的电容
，电源的电动势为E，内阻为r，电压表的内阻为10kΩ，当电路达到稳定状态后，则
A.电压表和静电计上的电势差相等，都是
。
B.电压表上的电势差比静电计上的电势差大些。
C.静电计上的电势差为零。
D.电压表上的电势差为零。
课后，我让物理成绩较好的几位学生回答，当我宣布回答错误时，这让学生感到很意外。平时很熟悉的知识今天怎么都做错了呢！每个学生的脸上都充满急于知道结果的神情。这时我故意卖个关子：要想做对这两道题还得认真比较这3种仪器在结构、作用方面的异同，下面就来分析研究。
一、验电器和静电计在结构上的差异
如图3所示为一常用验电器，它的主要结构是一根上端带有金属球的金属棒，在棒的下端悬挂着2片金箔。当带电体与金属小球接触时，金箔便得到同种电荷，因同性电荷相斥而张开。为了避免气流的影响，金属棒和箔片封闭在一个玻璃瓶中，棒与瓶间有绝缘材料相隔。
如图4所示为一常用静电计，它的结构是在一绝缘底座上装一金属圆筒作为外壳，外壳的前面装有透明玻璃，后面装有标刻度的毛玻璃，顶端带有金属球的金属杆插入圆筒内，金属杆和圆筒间装有绝缘套筒，金属杆下部的水平轴上装有金属指针，可绕水平轴灵活转动。圆筒的底部有接线柱，可用来接地或与其他导体相连。这样，静电计的金属外壳与内部的金属杆及金属指针构成了一个特殊的电容器。当内部的金属杆与指针带电时，金属外壳的内壁上会感应出异种电荷，使金属指针不仅受到金属杆所带的同种电荷的斥力作用，还受到外壳内壁上异种感应电荷的引力作用（此时外壳接地），也就是指针所受作用力的大小决定于壳内空间的电场强度的大小，而电场强度决定于金属杆与金属外壳之间的电势差，因此其指针张角的大小由金属杆与外壳间的电势差来决定。而验电器的外壳为玻璃瓶，当壳内金箔带电时，在玻璃瓶上不会出现感应电荷，至多在内外表面上形成极微量的极化电荷，其影响完全可以忽略不计。故其玻璃外壳与内部金属不能共同构成电容器。其金属球和金属杆可看作是孤立的导体，其金箔张角的大小，只决定于金属球、金属杆带电荷量的多少，与金属杆跟玻璃外壳之间的电势差无关，更何况玻璃外壳根本不是一个等势体，其内外表面及表面上各点电势并不相等。这就是验电器和静电计之间的主要差别。
二、验电器和静电计在使用中的不同
演示1：带有金属外壳的验电器金属箔的张角与哪些因素有关？
取2个完全相同的带有绝缘柄的金属小球A和B相互接触，用起电机给它们带电，这样A、B就带有等量同种电荷了，先使A与带有金属外壳的验电器金属球接触可观察到金属箔张开一角度，如图5所示，再把B球与验电器金属外壳（与地绝缘）接触，可观察到金属箔立即下垂，如图6所示。如果使A、B带等量异种电荷，即把A、B两金属小球分别与起电机上的2个金属小球接触带电，且A、B同时离开起电机，就可使A、B带等量异种电荷，重做上述实验，金属箔不仅不下垂，反而张角变大，如图7所示。
静电计为什么可测出带电体的电势和电势差呢？通过演示1我们可以知道，带有金属外壳的验电器金属箔是否张开，以及张角大小，是由金属杆与金属外壳之间的电势差决定的，如果把2个金属箔换成1个固定金属片和1个灵活转动的指针，根据所加电势差和指针偏转角度的大小进行刻度，这样指针每偏转一个角度就表示出金属杆与外壳之间的电势差，这就成为一个可测量电势差的静电计了。
演示2：测定平行金属板之间的电势差的实验装置如图8所示，将A、B两块带有等量异种电荷的金属板分别与静电计的金属球及外壳接线柱相连，静电计指针偏转，示数即为平行金属板间的电势差。如果像图9那样连接。这时B板与静电计外壳都接地，它们与大地电势相等，A板与大地的电势差也就等于A板与B板的电势差。
演示3：测定带电体的电势的实验装置如图10所示，将静电计的金属球与带电体C用导线连接上，静电计外壳接地，静电计指针偏转示数即表示带电体与大地的电势差，这个差值就是带电体C的电势。
静电计也称为指针式验电器，这说明它完全具备验电器的各种作用。由于静电计的特殊结构，使得它又具备验电器不能替代的某些作用。
三、电压表与静电计在使用中的不同
用电压表测电势差时应与待测部分并联，如图11所示，并联电路具有分流作用，由于电压表内阻很大，所以分得的电流很小，不会使待测电压的数值发生显著变化。电压表可以既方便又准确地测量电势差，但在静电实验中，一般不能用来测量两个带电体（如平行板电容器）的电势差。
演示4：如图12所示，用电压表测电容器两端电势差，观察到的现象是：电压表指针在接通瞬间偏转一下后，很快又回到零刻度，这是由于正极板所带正电荷通过电压表内部通路与负极板上所带的等量负电荷很快中和的缘故，所以通过电压表无法准确测出电容器两端的电压，也没有稳定的电压值。在静电实验中，由于带电体一般电压都比较高，容易超过电压表的量程，且物体所带电荷量少，如用电压表测电势差，物体所带电荷量就会很快通过电压表内部的通路放完，所以必须使用电阻无穷大的静电计。从工作原理上说，静电计可以代替电压表测量直流电路上的电压，但由于静电计的量程很大，其刻度一般以静电伏特SV为单位(1 SV约为300V)，当待测电压较小时静电计指针几乎不会偏转，因此，在电压较低的电路中不能用静电计测量电压，所以静电计不能代替电压表。
通过以上的演示实验和分析，我们知道，如用电压表测带电体或电容器的电势差，带电体或电容器所带电荷量就会很快通过电压表内部的通路放完，所以必须使用电阻无穷大的静电计。验电器中金属箔是否张开，以及张角大小，除了与金属箔是否带电及带电多少有关外，还与金属杆与外壳之间电势差的大小有关，电势差越大，张角越大，电势差越小张角越小。而静电计完全具备验电器的各种作用，由于静电计的特殊结构，使得它又具备验电器不能替代的某些作用。
至此，我们可以给出2道习题的正确答案了。
第2题，由于电容器
正极板所带正电荷通过电压表内部通路与负极板上负电荷很快中和，电路达到稳定状态后，电压表的示数为零，静电计的一端通过电压表内部电路接在电源正极，另一端接在电源负极，故静电计示数等于电源电动势E（当电源电动势较小时，静电计指针几乎不会偏转），正确答案应该选D。
目前绝大多数学生注重做习题而忽视对知识的理解和掌握，如果一味地传授知识，往往收不到良好的效果。这堂课借助学生乐于接受的习题，配合演示实验的教学，收到了很好的效果。