彭勁博

長(zhǎng)沙市長(zhǎng)郡梅溪湖中學(xué)

淺談驗(yàn)電器與靜電計(jì)的差異

彭勁博

長(zhǎng)沙市長(zhǎng)郡梅溪湖中學(xué)

在高中階段物理課程中，會(huì)學(xué)習(xí)到驗(yàn)電器和靜電計(jì)這兩個(gè)形狀類似的實(shí)驗(yàn)儀器，在學(xué)習(xí)過(guò)程中常常會(huì)將二者混淆。而這兩種儀器看似相同，其實(shí)無(wú)論是在構(gòu)造、原理還是功能用途上都存在著較大的差異。本文針對(duì)驗(yàn)電器與靜電計(jì)在構(gòu)造、原理以及功能用途上的差異進(jìn)行了探討。

驗(yàn)電器；靜電計(jì)；構(gòu)造差異；功能差異

在學(xué)習(xí)電場(chǎng)特性這一課程內(nèi)容時(shí)，涉及的驗(yàn)電器與靜電計(jì)這兩種關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)儀器，因在形狀上較為相似，不僅容易產(chǎn)生混淆，還會(huì)在學(xué)習(xí)中生出諸如“驗(yàn)電器和靜電計(jì)用途相同”等錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。因而分析辨別驗(yàn)電器與靜電計(jì)本質(zhì)上的差異，對(duì)于理解和掌握電場(chǎng)特性這一知識(shí)具有重要作用。

一、驗(yàn)電器與靜電計(jì)在構(gòu)造上的差異

（一）驗(yàn)電器

金箔驗(yàn)電器是最為常用也是最簡(jiǎn)單的驗(yàn)電器，主要被用于檢測(cè)物體帶電與否。驗(yàn)電器構(gòu)造如圖1所示，驗(yàn)電器實(shí)物如圖2所示

圖1　驗(yàn)電器構(gòu)造圖

圖2　驗(yàn)電器實(shí)物圖

從圖1和圖2中可清晰地看出驗(yàn)電器的主要構(gòu)造。在驗(yàn)電器頂端通常使用金屬球（或者使用金屬板），金屬球下方連接一根金屬桿，金屬桿插入玻璃器皿內(nèi)，在金屬桿下端掛有兩片金屬箔，此處應(yīng)注意金屬桿下端與金屬箔是需要整個(gè)被封裝于玻璃器皿內(nèi)的。當(dāng)帶電物體接觸驗(yàn)電器上方金屬小球時(shí)，金屬箔片會(huì)因同性電荷相互排斥向兩側(cè)張開(kāi)。金屬箔和金屬桿被封存于玻璃器皿中，一是為了方便觀察，二是為了防止氣流產(chǎn)生干擾。此外，金屬桿與玻璃器皿相接處需要使用絕緣物防止二者發(fā)生接觸。

（二）靜電計(jì)

靜電計(jì)主要被用于電勢(shì)差的測(cè)量。圖3為靜電計(jì)構(gòu)造圖，圖4為靜電計(jì)實(shí)物圖。

圖3　靜電計(jì)構(gòu)造圖

圖4　靜電計(jì)實(shí)物圖

觀察圖3和圖4可以清晰看出靜電計(jì)的基本構(gòu)造。通常靜電計(jì)使用圓形金屬外殼，并在金屬外殼前方或后方裝有帶刻度的透明玻璃。圓形金屬外殼上方與底座都采用絕緣物質(zhì)，金屬桿從外殼上方絕緣物質(zhì)處插入殼內(nèi)，金屬桿上端為金屬小球，金屬指針被裝于金屬桿下端垂直方向，并可以被水平轉(zhuǎn)動(dòng)。通常情況下，靜電計(jì)底座有接線柱，用于連接其他導(dǎo)體或直接接地。靜電計(jì)是一種特殊的電容器［1］。

二、驗(yàn)電器與靜電計(jì)在工作原理上的差異

（一）驗(yàn)電器工作原理

驗(yàn)電器的工作原理相對(duì)簡(jiǎn)單，若與驗(yàn)電器金屬球接觸的物體帶電，電荷經(jīng)金屬球傳至金屬桿下端的金屬箔片，在相同電荷互相排斥的作用，金屬箔片會(huì)張開(kāi)。驗(yàn)電器是從力的角度，檢驗(yàn)物體是否帶電以及帶電情況。

（二）靜電計(jì)工作原理

靜電計(jì)的工作原理相對(duì)復(fù)雜一些。靜電計(jì)的金屬外殼與金屬桿以及金屬指針始終處于絕緣狀態(tài)，可將二者視作電容器的兩個(gè)電極，也可以將金屬指針、金屬桿以及金屬外殼三者構(gòu)成的靜電計(jì)視為特殊的電容器。這個(gè)特殊電容器由金屬指針及金屬桿的位置、長(zhǎng)短和金屬外殼上的刻度尺寸決定其電容的大小。由于靜電計(jì)的電容幾乎不受金屬指針偏轉(zhuǎn)角變化的影響，因而可認(rèn)為靜電計(jì)的電容量在金屬指針轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中大致保持不變，當(dāng)靜電計(jì)連接一帶電量為+Q的帶電體時(shí)，此時(shí)的金屬桿與金屬指針帶正電，金屬外殼內(nèi)表面出現(xiàn)的感應(yīng)電荷為負(fù)，從而會(huì)在金屬外殼與金屬桿之間產(chǎn)生電場(chǎng)。受電場(chǎng)力的作用，金屬指針表面的電荷使指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。被測(cè)物體帶電量越大，靜電計(jì)內(nèi)形成的電力場(chǎng)越強(qiáng)，金屬指針受電力場(chǎng)作用就越大，偏轉(zhuǎn)角度就越大。根據(jù)公式Q=CU可知，當(dāng)靜電計(jì)電容C固定不變時(shí)，靜電計(jì)兩個(gè)電極的電勢(shì)差U與其帶電量Q成正比例關(guān)系，即U越大，Q越大。因此，靜電計(jì)兩極間電勢(shì)差的大小可通過(guò)其金屬指針的張角大小反映［2］。

三、驗(yàn)電器與靜電計(jì)功能用途上的差異

（一）驗(yàn)電器的功能用途

1、檢驗(yàn)物體帶電與否。將物體與驗(yàn)電器上的金屬球接觸，若物體本身帶電，則會(huì)有部分電荷被傳至兩片金屬箔上。由于金屬箔所帶電荷相同，根據(jù)同性電荷相排斥定理，金屬箔片會(huì)張開(kāi)，物體所帶電荷越大，金屬箔片張角越大。若金屬箔片沒(méi)有發(fā)生變化，則說(shuō)明該物體本身不帶電。2、檢驗(yàn)物體所帶電性。將已知帶電物體與驗(yàn)電器金屬球接觸，若金屬箔片張角增大，則說(shuō)明物體帶正電，若金屬箔片張角變小，則表明物體帶負(fù)電。

（二）靜電計(jì)的功能用途

1、定量測(cè)量電勢(shì)。將靜電計(jì)金屬外殼接地，再將被測(cè)物體與靜電計(jì)金屬球連接，地與導(dǎo)體之間的電勢(shì)差就是金屬指針?biāo)缚潭?，設(shè)地的電勢(shì)為0，則指針?biāo)缸x數(shù)就是被測(cè)物體的電勢(shì)。2、定量測(cè)量電勢(shì)差。將被測(cè)量物體用導(dǎo)線分別與靜電計(jì)金屬外殼和金屬球連接，根據(jù)金屬指針?biāo)傅目潭任恢茫傻贸龆織l件下，金屬外殼與金屬指針之間的電勢(shì)差。3、測(cè)量直流電路中的電勢(shì)差。靜電計(jì)本身就是一種特殊的由金屬桿、金屬指針、金屬外殼所組成的電容器，如果在直流電路中電勢(shì)差不等于0的兩點(diǎn)并聯(lián)靜電計(jì)，靜電計(jì)會(huì)發(fā)生充電現(xiàn)象，金屬指針則會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。但直流電路在實(shí)際情況下其電壓較小，能夠使靜電計(jì)所帶電量十分有限，金屬指針的偏角幾乎不會(huì)受其影響而發(fā)生變化。靜電計(jì)上的刻度單位通常是以靜伏（1靜伏=300伏）表示，因而靜電計(jì)的金屬指針不會(huì)受一般的直流電壓影響而發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。若將靜電計(jì)與300伏以上的直流電路金屬指針相連，則會(huì)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。因而直流電路中的電勢(shì)差可以用靜電計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

綜上所述，就構(gòu)造而言，驗(yàn)電器由金屬球、金屬桿以及金屬箔片組成的孤立導(dǎo)體。而靜電計(jì)是由金屬球、金屬桿、金屬指針以及金屬外殼組成的特殊電容器。就工作原理而言，驗(yàn)電器金屬箔片張開(kāi)是受相同電荷相互排斥的作用。靜電計(jì)金屬指針發(fā)生偏移是受電場(chǎng)力的作用。就功能用途而言，驗(yàn)電器和靜電計(jì)都可被用于檢測(cè)物體是否帶電，但驗(yàn)電器相較于靜電計(jì)更為靈敏。定量測(cè)量?jī)晌矬w的電勢(shì)差只能使用靜電計(jì)，靜電計(jì)可作為驗(yàn)電器使用，但驗(yàn)電器不能被作為靜電計(jì)使用［3］。

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)驗(yàn)電器和靜電計(jì)構(gòu)造、工作原理以及功能用途的探討，可以清晰理解二者之間的差別。在以后的物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，就不會(huì)再將驗(yàn)電器和靜電計(jì)混淆，從而有效避免錯(cuò)誤發(fā)生。

［1］余建剛.淺談驗(yàn)電器與靜電計(jì)的差異［J］.教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2015，01∶27-28.

［2］王春旺.驗(yàn)電器與靜電計(jì)的差異［J］.數(shù)理天地（高中版），容易混淆的實(shí)驗(yàn)儀器辨析.2012，08∶25+27.