物理探索与演示实验1(电磁学)

电磁理论建立过程中的几个关键阶段：
1、对自然界中电磁现象的观察和认识（定性研 究）； 2、库仑实验定律（电荷相互作用的定量研究）； 3、科学家伏打等人发现电流并制成伏打电堆 （从 静电的研究进入到研究动电的新阶段）； 4、奥斯特实验和法拉第电磁感应定律（揭示了 电和磁的相互联系）; 5、麦克斯韦电磁理论和电磁波（电磁理论的统 一）。
【实验操作与现象】
1．将静电高压电源正、负极分别接在避雷针演示仪 的上下金属板上，把带支架的金属球放在金属板两 极之间。接通电压，金属球与上极板间形成火花放 电，可听到劈啪声音，并看到火花。若看不到火花， 可将电源电压逐渐加大。演示完毕后，关闭电源。 2．用带绝缘柄的电工钳将带支架的顶端呈圆锥状 （尖端）的金属物体也放在金属板两极之间，此时 金属球和尖端的高度一致。接通静电高压电源，金 属球火花放电现象停止了，但可听到丝丝的电晕放 电声，看到尖端与上极板之间形成连续的一条放电 火花细线。若看不到放电火花细线，将电源电压提 高。演示完毕后，关闭电源。
实验九
实验目的
压电效应
演示压电晶体在压缩力作用下，在两面能够产生 电位差，即机械振动通过压电晶体转换为电振动 （电信号）；在晶体两面加上一定的电位差，晶 体线度会发生一定的变化，产生机械振动，即逆 压电效应。
实验仪器
压电效应演示仪，如图所示：
实验原理
一.压电效应（Piezoelectric Effect）

这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。
实验十 手触式蓄电池演示仪
【实验目的】
通过双手分别触摸铜板和铝板产生电流这 一现象演示化学电池的工作原理。
【实验器材】
【实验原理】
两块金属板分别相当于电池的两个电极。人手上有 汗液，汗液是一种电介质，里面含有一定量的正负离子。 当手分别放在铝板和铜板上时，铝比铜活泼，铝板上汗液 中的负离子发生化学反应，而把外层电子留在铝板上使铝 板聚集了大量负电荷。如果用导线把铝板和铜板连接起来， 铝板上的电子将向铜板流动，于是串联在导线中的电流计 上便有电流通过。同样，把铝片和锌片插入硫酸溶液中， 也会在电路中有电流，这就是我们常见化学电池的工作原 理。
实验八 电介质对电容的影响
【实验目的】
利用圆形的平行板电容器与一圆形电介质，演 示电介质对电容的影响。
【实验器材】
【实验原理】
当一个平行板电容器中间介质为空气时，则电容量为C，如果在两 极板之间插入一介电常数为ε的电介质，则电容量将增大ε倍，这是因为电 介质插入电场中，由于电介质的极化，而产生束缚电荷，削弱了原来的电 场强度，在电容器极板上电量不变的情形下，两极板间场强的削弱，都会 导致电位差的下降，由公式C=Q/U可知，U的减小，Q保持不变，则引起 了C的增大。
【实验操作与现象】
把高压电源任一极接在柱的金属部分上，接通高压电源， 则放电轮的尖端发生放电，使空气电离，电离分子离开尖 端，使轮子受到反冲，因而轮子沿着弯曲的针尖的反方向 转动起来。演示后，关闭电源。
【注意事项】
由于电源电压较高，关闭电源后，不能完全充分放电，故 应取下电源任一极接头，与另一极接头相碰触人工进行放 电，以确保仪器设备和操作者的安全。
实验一 静电感应盘
【实验目的】
演示起电盘被带电体感应而起电的现象。
【实验器材】
起电盘—是带有绝缘柄的铝质空心圆盘， 塑料板，绸子，氖泡，如图所示。
【实验原理】
感应起电原理如图所示
【实验操作与现象】
1．用绸子摩擦塑料板的上表面，塑料板便带上正电，然后将起电盘放在 塑料板上，如图1所示。虽然起电盘与塑料板相接触，但两个面不会是 完全密合的，仅少数点相接触，因此电荷的转移不是主要的，主要的仍 是感应起电。由于起电盘与塑料板靠得很近，感应现象显著。 2．手持氖泡接触起电盘，氖泡的一端产生一次闪光。这是由于起电盘上感 应的正电荷所产生的电位较高，足以使着火电压70伏左右的氖泡点燃放 电。放电后，起电盘上正电荷消失。
实验二
【实验目的】
演示起电现象
感应起电机
【实验器材】
维氏起电机，包括由起电盘、放电球、莱顿瓶、感应 电刷、皮带轮、集电梳、连接片，起电圆盘涂有许多片 铝箔，如图所示
【实验原理】
起电机是利用感应作用来起电的，在通常情况下，由于大气中带电粒子的 碰撞，或者以前实验残留下来的电荷，是能够自己带电的，当两个起电盘快速旋 转时，带电系统特别是装有绝缘手柄的放电叉的球部，分别积聚起不同电性的电 荷。随着起电过程不断交替进行，感应起电的作用越来越强，两个导电系统积聚 的不同符号的电荷越来越多，它们之间的电势差也越来越大。
实验三
【实验目的】
静电跳球
演示同号电荷相斥，异号电荷相吸的现象 。
【实验器材】
装有金属小球的圆形容器，感应起电机，如图所示
【实验原理】
当装有金属小球的圆形容器上下两极金属板分别带有正、负电荷时，此时金属 小球也带有与下板同号的电荷。根据同号电荷相斥、异号电荷相吸的原理，金属小 球受下极板的排斥和上极板的吸引，跃向上极板。一旦金属小球与上极板接触后， 金属小球所带的电荷被中和反而带上了与上极板相同的电荷，于是又被排斥返回下 极板。如此周而复始，可观察到金属小球在密闭的容器内上下跳动。当两极板电荷 被完全中和时，金属小球随之停止跳动。
【实验操作与现象】
将电容器的两极板接在验电器上，然后用起电机将两极板带电，这 时将看到验电器指针有一定偏转角，验电器指针偏转角的大小反映了电容 器两极板间电位差的大小。带上电后，拿掉充电的起电机，把用环氧树脂 板做成的电介质，插入两极板之间，这时，验电器的偏转角将减小，这说 明电容器极板的电位差减小了，由于起电机已拿掉，电容器极板与外界绝 缘，极板上的电荷量Q保持不变，所以电位差U的减小，则意味着电容C 的增大，即插入电介质起到了增大电容的作用。 【注意事项】 1、当用起电机给极板带电后，即将电介质板插入，以免时间长电荷流失。 2、插入电介质时，请不要碰到极板。
实验六 避雷针工作原理
【实验目的】 演示尖端放电现象，理解避雷针的工作原 理。 【实验器材】 避雷针演示仪，直流高压电源，如图所示。
【实验原理】
当避雷针演示仪接通静电高压电源后，绝缘 支架上的两个金属板带电了。在极板间电压超过1 万伏时，由于导体尖端处电荷密度大于金属球处， 所以金属尖端附近形成了强电场，在强电场的作 用下，空气分子被电离，致使极板和金属尖端之 间处于连续的电晕放电状态，即尖端放电现象。 而金属球与极板间的电场不能达到火花放电的数 值，故金属球不放电。在实际应用中，尖端导体 与大地相连接，云层中的电荷通过导体与大地中 和，因而避免了人身和物体遭到雷电等静电的伤 害。如高层建筑物顶端都安有高于屋顶物体的金 属避雷针。
【实验操作与现象】
当把双手分别放在两块金属板上，你会发现指针转动 了，这说明了电路里产生了电流。两手越湿润，电流表指 针偏转越大。
实验十一 帕尔帖效应演示仪
【实验目的】
观察锑铋金属棒两端的温度与其通电电流的关系 了解帕尔帖效应的工作原理
【实验器材】
【实验原理】
电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸 收热量，或向外界放出热量，这就是帕尔贴效应。 由帕尔贴效应产生的热流量称作贴尔贴热，用符号 QP 表示。对帕尔贴效应的物理解释是：电荷载体 在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材 料中处于不同的能极，当它从高能级向低能级运动 时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能 级运动时，从外界吸收能量。能量在两种材料的交 界处以热量的形式吸收或放出。
实验七
【实验目的】
电介质极化
模拟电偶极子在电场中定向排列，说明电介质极化的微观机 理。
【实验器材】
电介质极化演示仪，感应起电机，如图所示，
【实验原理】 电偶极子－两个大小相等符号相反的点电荷+q和-q，当它们之间的距离r 比所考虑的场点到二者的距离小得多时，这一电荷系统就称为电偶极子。
电偶极子在电场中受力矩作用，使电偶极子转到平行于电场的方向。 电介质内的有极分子在没有外加电场的情况下，由于热运动其分子电矩杂 乱无章地取向。从宏观上看没有偶极矩。当外加一电场后，在电场的作用 下，每个偶极矩都趋向于与外场一致，宏观上表现出极化现象。 【实验操作与现象】 将静电高压电源正、负极接在电介质极化演示仪的两极板上，此时电介 质极化演示仪内模拟电偶极子的石蜡细棒排列方向是混乱状态（沿任意方 向）。当接通电压，模拟偶极子极化使两端带上等量异号电荷，从而形成 偶极子，并立即由混乱状况变为有向排列。关闭电压，则偶极子又处于混 乱状态。 【注意事项】 关闭电源后，把两极相碰触进行放电，确保仪器设备和操作者的安全。
【实验操作与现象】
1．将两极板分别与感应起电机正负极相接。调节细有机玻璃棒，使球略偏向 一极板。 2．开启高压电源，可以看到金属球在两板之间来回摆动。 3．演示完成后，关闭电源并进行人工放电。
【注意事项】
1．操作过程中，不要触摸实验设备，以免触电。
实验五 尖端放电
【实验目的】
演示蜡烛的火焰在“电风”的吹动下的偏移，富 兰克林轮在“电风”的推动下的的转动，观察尖端 放电现象。
物理探索与演示实验
电磁学部分
绪论
电磁学是经典物理学的一部分。它主 要是研究电荷、电流产生电场、磁场的规 律，电场和磁场的相互联系，电磁场对电 荷、电流的作用，以及电磁场对物质的各 种效应。电磁现象是自然界存在的一种极 为普遍的现象，它涉及到很广泛的领域； 电的研究和应用在认识客观世界和改造客 观世界中展现了巨大的活力。
【实验仪器】 直流高压电源、尖端放电装置
【实验原理】
在静电学中我们知道，导体表面的电荷分布与导 体的表面曲率有关，表面曲率半径越大，电荷分 布越少；反之越多。而表面附近的电场与表面电 荷成正比，所以，表面曲率半径越小，表面附近 电场越强。当电场到达一定量值时，附近空气中 残留的离子在这个电场作用下，将发生激烈的运 动，并与空气的分子碰撞而产生大量离子。那些 和导体上电荷异号的离子，因受导体电荷吸引而 移向尖端，与导体上电荷相中和；而与导体上电 荷同号的离子，则因受导体电荷排斥而飞向远方 形成“电风”。
【实验操作与现象】
把电源正、负极分别接在密闭容器的上极板和下极板处，接通高压电源，即可看 到金属小球在容器内上下跳动，关闭电源金属小球停止跳动。
实验四
【实验目的】
静电摆球
用感应球来演示静电感应现象
【实验器材】
静电摆球演示仪，感应起电机，如图所示。
极板 金属球
ห้องสมุดไป่ตู้
【实验原理】
当两极板分别带上正、负电荷时，这时导体小球两边分别被感应出与邻 近极板异号的电荷。球上感应电荷又反过来使极板上电荷分布改变，从而使 两极板间电场分布发生变化。球与极板相距较近的这一侧空间场强较强，因 而球受力较大，而另一侧与极板距离较远，空间场强较弱，受力较小，这样 球就摆向距球近的一极板。当球与这极板相接触时，与上面同样的道理使球 又摆回来。持续加电，球就在两极板间往复摆动，并发出乒乓声。关闭电源 后，则导体小球会因惯性，在一段时间内做微小摆动，最后停止在平衡位置。 将金属球调节在两极板中间，因小球两边电场力几乎相等，故球不动。
由物理学知，一些离子型晶体的电 介质(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等) 不仅在电场力作用下，而且在机械力 作用下，都会产生极化现象.
二、逆压电效应

若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起 电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电 介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成 正比：
S=Dt*E Dt是逆压电常数矩阵.
3．移去氖泡，将起电盘提起，再用氖泡接触起电盘，则在氖泡的另一端产 生一次闪光。这是由于提起起电盘，盘上的负电荷所产生的负电位使氖 泡点燃放电。放电后，负电荷消失。 4．由于实验过程中塑料板上电荷的转移是极有限的，因此塑料板只需摩擦 一次，不断地放下和提起起电盘，并不停地用氖泡接触起电盘，可以观 察到氖泡两头交替地闪光。
【实验操作与现象】
把起电机放电球调整到合适的位置，摇动圆盘把手，当两个起电盘快速旋 转时，放电叉的球部分别聚集起不同电性的大量电荷，而形成火花放电。注意观 察放电现象。
【注意事项】
1、操作起电机时，动作要缓和，由慢到快，但速度不能太快，过快了会影响中 和电刷与导电层接触，反而不能起电，也容易损坏起电盘。摇转停止时亦需慢慢 进行，可松开手柄靠摩擦作用使其自然减慢，以防起电盘由于惯性从转动轴上松 脱。 2、起电机带电后和停止摇动时，由于集电杆等处带有电荷，操作者不要触摸实 验设备，应将两个放电球接触，进行正负电荷中和， 3、两放电球接触后不能再转动摇把手，避免两个起电盘上所有导电层正负电荷 完全中和，不能再起电。