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富兰克林轮的探索和研究

http://www.newdu.com 2018-12-01 人民教育出版社 佚名 参加讨论

    富兰克林轮的探索和研究
    上海市复兴高级中学 倪闽景 刘贵兴
    富兰克林轮是一个深受任课教师和学生欢迎的静电演示实验,富兰克林轮形象地展示了静电学中的尖端放电现象,根据作者多年来在复旦大学自学物理实验室和复兴高级中学自主物理实验室开设的选修课的教学实践,发现富兰克林轮除了作课堂演示,还可以拓展成学生自主实验,涉及的实验内容极其广泛,大大地丰富了学生的静电学知识,使学生感到静电学的内容并不枯燥无味。富兰克林轮的综合实验内容适宜于大学低年级和高中二年级的学生。在实际教学中,参照讲义可以独立自主地对实验进行探索和研究,通过实验学生能够获得传统课堂教学中学不到的知识。
    1 实验装置介绍
    
    富兰克林轮(以下简称电风车)可以用两种方法制造。方法1:如图1所示,取两根直径为0.2mm,长约为10cm的细钢丝,将每根钢丝的两端磨成尖端形状。另外取一只揿钮,将两根细钢丝分别穿过揿钮上的两个小孔,并弯成如图1(a)所示的形状,我们叫它为叶轮。再取一根长缝衣针和一根直径为1.5cm,长为8cm的有机玻璃棒。在有机玻璃棒的一端钻一小孔,将缝衣针的尾端插入小孔中,再将另一端涂上百得胶插入开有孔的圆形木板上。将叶轮中的揿钮套在缝衣针上,如图1(b)所示,使叶轮能自由地在水平方向旋转。这就是一只电风车了。其中叶轮的直径约为6cm。
    
    方法2:如图2所示,取一张面积约为8×8cm的薄铝片,用锋利刀片裁成如图2(a)所示的叶轮形状,叶轮要求十分对称,直径为8cm,叶轮的叶片宽5mm,在叶轮中心钻一小孔,在小孔中装一只揿钮。类似图1(b),将叶轮装在缝衣针尖上,即成一只电风车了。
    2 实验内容的探索和研究
    2.1 电风车的基本实验
    
    内容1:实验装置如图3(a)所示,将缝衣针用导线和静电感应起电机的正(或负)电极相连。转动起电机当起电机正常工作时,使电风车叶轮的尖端处产生尖端放电,叶轮尖端附近产生大量新的正、负离子,其中正离子受到带正电的叶轮尖针的排斥而飞向远处,负离子受到叶轮尖针的吸引而趋向尖针,并与尖针上的正电荷中和。根据动量守恒原理,电风车的叶轮作顺时针方向旋转。[图3(b)]
    
    内容2:实验装置如图4所示,将一块有塑料柄的铝板A水平放置在电风车叶轮M上方,转动感应起电机,当起电机正常工作时,电风车的叶轮正常地顺时针运转,并不因孤立的铝板A的存在而有所变化,现将铝板接地,此时发现当铝板A离电风车叶轮距离的减小,叶轮M的转速明显变化,这是由于铝板A在电风车的电场作用下,因静电感应而带上了负电荷,使电风车叶轮M尖端附近的正离子得到静电吸力,负离子受到静电斥力而获得加速运动,故使电风车叶轮M作加速转动(图4)。
    2.2 电风车能发射正(或负)电荷的实验
    
    实验装置如图5所示,将电风车和感应起电机的正(或负)电极相连,将装有塑料柄和底座的铝板B置于电风车左边约8~10cm处,用导线将铝板B和验电器E上的电极相连。转动感应起电机,当起电机正常工作时,电风车顺时针旋转,随着电风车的正常旋转,验电器的箔片将张开较大的张角,表明电风车旋转过程中向四周发射正离子(或负离子)。使铝板B带上了正(或负)电荷,用丝绸摩擦带正电荷的有机玻璃棒来检验验电器,可以知道电风车发射的是正电荷还是负电荷。(图5)实验证明电风车既能发射正电荷,也能发射负电荷。
    2.3 能消除带电体上的正(或负)电荷
    
    内容1:电风车能消除薄膜包扎带上的负电荷的实验
    要消除塑料薄膜包扎带上的电荷,首先使包扎带摩擦起电。取一段长约为45cm的白色包扎带,将包扎带的一端打一个结,再将包扎带的另一端撕裂成20~30cm细条子。用右手拿住包扎带打结的一端,再用干燥的左手食指和中指夹住包扎带,按图6(a)所示,左手自上而下快速摩擦包扎带,并重复几次,经手指摩擦后的包扎带带上负电荷,包扎带的细条子因同号电荷相斥会向四周散开,见图6(b)。
    
    消除包扎带上负电荷的实验装置如图7所示,在带负电荷包扎带的右边约10cm左右,放置一架电风车,用导线将电风车上的缝衣针和感应起电机的正电极相连。转动感应起电机,当起电机正常工作时,电风车的叶轮顺时针旋转,一瞬间包扎带又变成如图6(a的一束了。如果电风车和起电机的负电极相连能否消除包扎带上负电荷,为什么?
    内容2:电风车能消除锦纶线上的正电荷
    
    先介绍如何使锦纶线带上正电荷。图8(a)为锦纶线的实验装置。将木料钉成木支架,取一小团细锦纶线,从线团上共截取40根60cm长的线段,将40根线段梳理整齐后,两端分别打上一个结,用骑马钉将线段的打结处分别牢牢地钉在支架的两端,使整个线段呈自然下垂状,不能拉紧。取一支涂漆的普通铅笔,在这束锦纶线上稍用力左右来回摩擦多次,这束锦纶线因摩擦而带上了正电荷。因同号电荷相斥,使这束锦纶线蓬起来向四周散开呈橄榄状,如图8(b)所示。
    
    要消除锦纶线上的正电荷的实验方法可以这样来做,在图8(b)的前方放一只电风车,使电风车的叶轮对准蓬起来的锦纶线,将电风车和感应起电机的负电极相连,转动起电机(图9),当起电机正常工作时,电风车作顺时针方向旋转。一瞬间,蓬起来的锦纶线又收拢如图8(a)所示的下垂状。如果将电风车和起电机的正电极相连,此时旋转着的电风车还能不能使锦纶线上的正电荷消除,为什么?
    2.4 电风车能点亮不用启辉器的8W日光灯
    
    8W日光灯的装置如图10(a)所示,图中由日光灯管L,镇流器M,启辉器S,开关K组成,当开关K接通220V交流电源,利用启辉器S内氖泡中的动静触片通断瞬间将日光灯管内灯丝加热,而发射热电子,同时带动镇流器M瞬间产生约800V的脉冲电动势来点亮日光灯管和正常工作,可见启辉器是点亮日光灯的一个少不了的器件。现在将电风车按图10(b)将它安置在日光灯的前方,将电风车的叶轮和日光灯管处在同一水平面上,并且相距约5~8cm。用导线将电风车和感应起电机的正(或负)电极相连,将日光灯装置中的启辉器从底座中取下,接通日光灯电路开关K,尽管日光灯L内灯丝电极两端施加220V电压,但缺少了启辉器,日光灯管L不能正常发光。现在转动感应起电机,当起电机正常工作时,电风车作顺时针方向旋转,电风车的叶轮向四周发射正(或负)电荷,在这些电荷的电场作用下,使日光灯管内少量正、负离子作加速运动,将日光灯内氩气分子和少量汞蒸汽电离成许多正离子、电子和负离子,这些正负离子在灯管两端加220V交流电压作用往返运动,从而通过与氩气分子和汞蒸汽碰撞开始发生辉光放电现象,立即又发生弧光放电。放电过程中产生的紫外线射到日光灯管管内壁的荧光粉上,吸引了紫外线的荧光粉发出了白色光,使日光灯正常发光,如图10(b)所示。(编者:做该演示,请注意用电安全)
    2.5 利用金属针尖的尖端放电现象驱动电风车旋转
    
    内容1:利用带电金属针尖的尖端放电驱动电风车旋转实验装置如图11所示,将一根装有缝衣针P的塑料棒固定在铁架台W1上,将装有塑料柄的铝板A固定在铁架台W2上,铝板A和缝衣针P相距6~8cm,用导线将感应起电机的负(或正)电极和缝衣针P相连,用导线将铝板A和电风车D1相连,转动起电机,当起电机正常工作时,发现和感应起电机负电极并不相连接的电风车D1会发生顺时针方向旋转,电风车之所以会旋转,主要是缝衣针尖P和铝板之间距离l有关,当l大,电风车旋转慢,甚至停转,反之l较小时,电风车的转速就快。
    内容2:利用在静电场中的金属针尖的“吸”电现象来驱动电风车旋转
    
    实验装置可采用上述内容1的图11的实验装置,只是稍作调整,也就是用导线将铝板A和感应起电机的正(或负)电极相连,而缝衣针尖P和电风车D1相连。转动感应起电机,当起电机正常工作时,电风车D1同样会怍顺时针方向旋转(图12),实验原理和内容1相似,这里不再赘述。
    
    内容3:利用一架电风车驱动另一架电风车旋转
    实验装置如图13所示,将一块铝板A放在电风车D1和D2之间,用导线将电风车D1和感应起电机的负(或正)电极相连,用导线将铝板A和电风车D2相连,使电风车D1铝板A约3~8cm,转动感应起电机,当起电机正常工作时,电风车D1发生顺时针旋转,电风车D转速要小,并且电风车D旋转的快慢, 还与电风车D1与铝板之间的距离有关,其中原理见内容1,这里不再重复。
    2.6 蜡烛火焰驱动电风车旋转
    
    实验装置如图14所示,使两块铝板A1和A2相距约8~10cm,用铝板A1和感应起电机正(或负)电极相连,用导线将铝板A2和电风车D相连。转动感应起电机,当起电机正常工作时,此时电风车的叶轮上因没有电荷故不会旋转。现在将一支点燃的蜡烛放置在铝板A1和A2之间,如果重新转动起电机,同样没有和感应起电机相连的电风车也会作顺时针方向旋转,当铝板A1和A2相互靠近时,电风车将会旋转得更快。这个实验的原理是,电风车旋转的动力来自于起电机的正电极上电荷,蜡烛火焰起了媒介作用。大家知道,蜡烛火焰是一种电离剂,烛焰的高温将其周围空气分子电离成大量的正离子和负离子,在带正电荷的铝板A1的静电场作用下,其中负离子被铝板A1上正电荷吸引而被中和,而正离子受到铝板A1的静电斥力而飞向铝板A2,使铝板A2带上了许多正电荷,从而促使和铝板A2相连的电风车D旋转,一旦将蜡烛火焰从铝板A1和A2中间移出来,那么不管我们如何用力转动感应起电机,电风车不会再旋转。
    2.7 电风车驱动静电单摆的运动
    
    实验装置如图15所示,将一只涂有石墨的乒乓球Q,用锦纶丝将其悬挂在铁架台N上的塑料棒上,在导电球Q左边放置一只铝板A,导电球Q离铝板A约2cm左右;在铝板A的左侧放一架电风车D1,D1离铝板约6cm。在导电球Q的右侧放一架电风车D2,D2的叶轮离导电球Q约8~10cm左右。用导线将电风车D1和电风车D2与感应起电机的正电极和负电极相连,转动感应起电机,当起电机正常工作时,电风车D1和D2作顺时针方向旋转,与此同时,导电球Q左右摆动,并撞击铝板A发出叮咚声,只要连续转动起电机,D1和D2不断旋转,导电球Q不断摆动并连续撞击铝板。这是由于铝板A在电风车D1的尖端放电作用下带上了正电荷,导电球Q在电风车D2的尖端放电作用下带上负电荷,在异号电荷相吸的作用下向左运动碰撞铝板A,当导电球Q和铝板A相撞后导电球带上与铝板A相同的电荷,因同号电荷相斥而摆向右方,故导电球Q在电风车D1和D2的作用下作左右连续摆动。 (责任编辑:admin)
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