在高中物理電場中,有兩個形狀很相似的實驗儀器驗電器和靜電計,驗電器的作用是檢驗帶電體是否帶電,而靜電計的作用是測量電勢差,這讓許多學(xué)生產(chǎn)生了疑惑,這兩個看似相同的實驗儀器怎么會在工作時有如此大的區(qū)別,它們的工作原理又是什么?帶著這樣的疑問我們一起來認(rèn)識它們。

一、驗電器

它的工作原理我們比較好理解。當(dāng)帶電體用導(dǎo)線與驗電器聯(lián)結(jié)時,金屬桿便成為帶電導(dǎo)體、金屬桿、金屬箔本身所組成的整體的一部分。達(dá)到靜電平衡時,金屬桿和金箔將從帶電體上分得同種電荷。根據(jù)同種電荷相斥原理,金屬箔將張開一定的夾角,而且金屬箔上的帶電越多,張開的角度就越大。

二、靜電計

當(dāng)靜電計的金屬桿同帶電體相連時,金屬桿和金箔與導(dǎo)體成等勢體,即具有相同的電勢。同時使金箔上帶上了同種電荷,金箔的張角本是由它上面的帶電量多少來決定,金箔上的帶電量多,則張角就大。但對與靜電計來說,金屬瓶常接地,電勢為零,當(dāng)金屬桿和金箔帶電后,由于靜電感應(yīng)使金屬瓶的內(nèi)表面帶上與金屬桿及金箔幾乎等量的異號電荷。因此金屬桿和金屬瓶左右內(nèi)壁組成了兩個特殊的電容器,它們具有一定的電容,并處于并聯(lián)的關(guān)系。當(dāng)靜電計帶電后,相當(dāng)于電容器充了電,靜電計內(nèi)就會形成電場,如果我們把這電場看成是勻強(qiáng)電場,場強(qiáng)由此,我們可以知道在認(rèn)為靜電計中的電場為勻強(qiáng)電場的前提下,靜電計金箔的張角與電勢差的關(guān)系并不成正比,因此我們只能說,電勢差越大張角也越大。

三、驗電器與靜電計的區(qū)別及

1.從結(jié)構(gòu)上看:

驗電器主要由金屬球、金屬桿和金箔三部分組成,它們成為了一個孤立導(dǎo)體,與外界沒有接觸。而靜電計的主要部分是有金屬球、金屬桿、金箔和金屬外殼構(gòu)成,金屬球、金屬桿和金箔連接成了一體,金屬外殼與地球又連接成了一體,而這兩體就組成了一個電容器,在金屬殼內(nèi)會產(chǎn)生分布不均勻的電場。

2.從原理上看:

驗電器的工作原理是由于金屬桿和金箔中帶有同種電荷,由于同種電荷相互排斥,因此是電荷之間的庫侖力使金箔張開。而驗電器工作時,由于在金屬桿和金屬外殼上形成了異種電荷,金屬外殼內(nèi)就形成了電場,

而金箔中的電荷正是由于受到了電場力的作用,才使金箔張角發(fā)生了變化。

3.從功能上看:

驗電器主要功能是檢驗導(dǎo)體是否帶電,一般情況下,驗電器不能測量帶電導(dǎo)體的電量多少,更不能測量電勢差;而靜電計的功能主要是測量電勢差,當(dāng)然也可以用作驗電器,來檢驗接觸導(dǎo)體是否帶電。

驗電器和靜電計是研究靜電場特性的兩種重要實驗儀器，但對于這兩種儀器在結(jié)構(gòu)和作用方面的異同，多數(shù)學(xué)生并不十分清楚，甚至存在一些誤解。例如認(rèn)為“只要把驗電器的金屬箔換成金屬指針就變成了靜電計”，驗電器可以用來檢驗和比較不同帶電體所帶電量的多少”，“靜電計不能用來測量直流電路中的電勢差”等。對于這些似是而非的認(rèn)識，有的老師的認(rèn)識也是模棱兩可，說不清楚。為了澄清上述問題，本文對這兩種儀器在結(jié)構(gòu)和作用方面的差異作簡要辯析。