法拉第圆桶实验的改进，本文主要内容关键词为：法拉第论文,圆桶论文，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。
普通高中课程标准实验教科书（人民教育出版社）《物理》选修3-1第一章第7节“静电现象的应用”中，有一个研究“导体上电荷的分布”的演示实验，如图1所示。
取两个验电器A和B，在B上装一个几乎封闭的空心金属桶C（历史上把它叫做法拉第圆桶），使B和C带电，A不带电。 D是带有绝缘柄的金属小球。使D和C的外部接触，再让D跟A的金属球接触；这样操作若干次，观察A的箔片的变化。 重复上述操作，让D在C的内表面与A之间反复接触，观察A的箔片的变化。 从而得出在静电平衡时，导体上电荷分布的特点。 在实际教学中，常有部分教师不愿意演示这个实验，动辄用讲解实验的办法来应对。即便有些教师演示了，实验成功率也无法保证。其主要原因有以下几点： ①静电实验的效果常常受到环境的制约。教室通常因为人多而有比较大的湿度，如果天气条件再不好的话，课文所述的金属圆桶C上的电荷会损失得很快，且无法得到补充。 ②课文所述的金属圆桶C本身容纳电荷的电量是很少的。而这些电荷的损失又是不可避免的，在电荷损失殆尽之前的时间里，是很难完成这个实验的诸多环节的。 ③课文所述的金属圆桶C过小，开口也小，给小球D从C的外部和内部向A输运电荷的操作带来了不便，会因此而损失不少宝贵的实验时间。 ④验电器上的带电情况要靠金属箔片的张角来显示，而验电器上的金属箔片太过短小，致使实验的可见度很差，从而会影响实验的效果。 为了解决并规避上述困扰，本人对这个实验进行了改进，可以有效地提高这个实验的演示效果。现将改进后的实验作如下介绍。 一、实验器材 感应起电机（J2310）1台，自制金属圆桶（直径约26cm、高约30cm，上下底由金属饼干盒、桶壁由铝合金薄片制成，桶壁留有方形口子，桶顶部开出圆形口子）1个，厚泡沫板（白色泡沫包装盒长约40cm、宽约30cm、高约12cm）1块，红色验电羽1个，带绝缘柄的球形（直径约10cm）导体1个，细尼龙线（直径0.5mm、长约50cm）1根，导线若干。 二、实验演示 [演示1] 将实验器材按照图2所示进行组装，将自制金属圆桶放在厚泡沫板上，把金属圆桶与感应起电机的任一放电极用导线相连，再把金属圆桶与验电羽金属杆底端用导线相连，请一名学生摇动感应起电机，使金属圆桶带电。提住连接在验电羽顶端的细尼龙线，使验电羽在金属圆桶顶部的开口处上下移动，分别使验电羽处于金属圆桶外和金属圆桶内，观察验电羽的形状并判断其带电情况。
[演示2] 将实验器材仍然按照图2所示进行组装，将自制金属圆桶放在厚泡沫板上，把金属圆桶与感应起电机的任一放电极用导线相连，请一名学生摇动感应起电机，使金属圆桶带电。将验电羽放置在离金属圆桶较远处，用带绝缘柄的球形导体分别从自制金属圆桶的外部和内部给验电羽输运电荷3～4次，观察验电羽的形状并判断其带电情况。 三、实验现象 1.演示1的现象及分析 当验电羽处于金属圆桶外部时，可观察到验电羽因带电而呈现如图3a的形状，表明处于金属圆桶外的验电羽是有电荷分布的。因为导线的连接，此时的验电羽本身就成了金属圆桶外部的一部分，这表明带电体的外部是有电荷分布的。
当验电羽处于金属圆桶内部时，可观察到验电羽呈现如图3b的形状，表明处于金属圆桶内的验电羽是没有电荷分布的。因为导线的连接，此时的验电羽本身就是金属圆桶内部的一部分，这表明带电的金属圆桶内部是没有电荷分布的。 2.演示2的现象及分析 将验电羽放置在离金属圆桶较远处，用带绝缘柄的球形导体，从自制金属圆桶的外部给验电羽输运电荷3～4次，可观察到验电羽的形状逐渐张开，如图4a，由此可判定金属圆桶带电时其外部是有电荷分布的。用带绝缘柄的球形导体，从自制金属圆桶的内部给验电羽输运电荷3～4次或者更多次，可观察到验电羽的形状并不张开，如图4b，由此可判定金属圆桶带电时其内部是没有电荷分布的。
四、实验效果 本实验演示过程简捷，现象明显，取材容易，且几乎不受环境的影响。感应起电机不断地给金属圆桶提供电荷，保证了金属圆桶上电量充足，为实验争取到了充裕的时间。用验电羽来显示有无静电，比用验电器的箔片，大大提高了可见度，同时实验的美感也大大增强。实验中，有无电荷分布的对比鲜明，冲突强烈，给学生留下的印象极为深刻。 五、实验衍生 利用本实验装置还可以进一步演示静电感应、感应起电和静电屏蔽等物理现象，且实验成功率极高。 1.静电感应 把验电羽放在自制金属圆桶近旁（距离金属圆桶15cm左右，离感应起电机较远的一侧），将自制金属圆桶底部放上厚泡沫板，再把金属圆桶与感应起电机的任一放电极用导线相连，请一名学生摇动感应起电机，只使金属圆桶带电。可观察到验电羽缓慢张开，如图5a。这就是静电感应现象。
2.感应起电 在上述静电感应现象演示的基础上，用手接触验电羽顶部的金属体3～5s左右的时间，待验电羽张开的形状稳定后，松开手，并立即把感应起电机的另一放电极与金属圆桶接触，使金属圆桶恢复不带电的状态，可观察到验电羽仍然会处于张开的形态，表明这时的验电羽是带电的。这便是感应起电。 3.静电屏蔽 在上述静电感应现象演示的基础上，从张开的验电羽上方，用金属网罩（自行车前部的金属菜篮或者金属字纸篓）罩住验电羽，可观察到被罩住的验电羽所处的形态几乎不张开，如图5b（取走金属网罩，验电羽又会变为张开的形态，如此可以反复演示）。这就是静电屏蔽。
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