静电电动机和静电乒乓球系列实验

4. 把固定杆 B2 拿走，重复步骤 3 中的操作，观察现象，并记录，分析原因。
实验现象
塑料转筒非常缓慢地转动。
实验分析
若 B2 被拿走，则无法造成塑料转筒上电荷的不均匀分布，转筒上电荷分 布如图 9 所示：
图9
转筒所受斥力几乎过轴心，力矩很小，所以转动极其缓慢。
5. 把固定杆 B2 拿走，用手放在原固定杆 B2 所处的位置。手指指向转子切线方 向（原固定杆 B2 放电针指向）。重复步骤 3，观察现象，并记录。
实验现象
塑料转筒被吸在手指上。
实验分析
人的手指相对于手背也可认为是尖端，容易产生尖端效应。所以实验中 手指指向转子切线方向相当于步骤 3 中固定杆 B2 接地的情况，所以塑料转 筒会被吸在手指上，具体分析在步骤 3 的分析中已给出，此处不再赘述。
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6. 如图 10 所示，把蜡烛盘放在固定杆 B2 底座上，点燃蜡烛，摇动感应起电机， 使金属固定杆 B1 上的放电叉带上正电后，观察现象，并记录，分析原因。如 果移动蜡烛位置，情况如何？请相互比较，分析原因。
静电“电动机”与静电“乒乓球”的系列实验
实验目的
通过静电电动机和静电乒乓球系列实验，对静电场尖端放电、正负电荷、静 电感应等静电学中的现象进行进一步地了解，近距离感受静电现象，同时在实验 中增强动手能力。
实验装置
如下图所示，主要包括：静电系列实验仪、静电感应起电机、导线、蜡烛、 火柴、塑料转筒、金属筒、固定杆 2 根、放电针、乒乓球 1 个、导电球（乒乓球 外涂上导电材料）2 个、带有木夹子的氖泡、有机玻璃板等。
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电机时，导电球几乎不动。 3. 如图 15 所示，把导电球放在两导电板之间，摇动感应起电机，观察现象，并
记录。改变间距，观察现象，并记录。将导电球换成乒乓球，观察现象，并 记录。
图 15
实验现象
1. 摇动感应起电机时，导电球先和其中一个板相碰，然后在两个板之间来回 弹。改变间距，现象不变。
2. 将导电球换成乒乓球，摇动感应起电机时，乒乓球不动。
实验分析
1. 由于感应起电，导电球左侧和右侧分别感应出负电荷和正电荷，因而两侧 均受到板的吸引，但由于两侧间距及导电板所带电荷不完全相同，所以一 边吸引力大于另一边，于是导电球先和一个板相碰并带上相同的电荷而被 弹开，再和另一个板相碰，如此循环，导电球在两个板之间来回弹，改变 间距，依然如此。
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筒两侧带上正电荷和负电荷，但由于金属筒是导体，会发生电荷的移动， 所以正负电荷发生中和，使总的带电量减少，所以金属筒转速远小于塑料 转筒。 3. 将塑料转筒改为金属筒，B1 与 B2 同时接正极时，金属筒上电荷分布如图 7 所示：
图7
由于金属筒是导体，所以正电荷会在金属筒表面均匀分布，两侧受力 对称，所以金属筒所受合力为零，力矩为零，故金属筒几乎不转。 3. 把固定杆 B2 改接地，摇动感应起电机，使固定杆 B1 上的放电叉带上正电后， 观察现象并记录，分析原因。
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图 12
蜡烛离尖端越近，转筒靠近尖端处的正电荷被中和掉的越多，剩余的正电 荷越少，所受斥力越小，力矩越小，故转速越慢。当蜡烛位于尖端正前方时， 尖端放电产生的正负离子几乎被蜡烛加热空气产生的正负离子完全中和，所 以转筒几乎不带电，受力几乎为零，故不转动。
实验内容 2：静电乒乓球实验
1. 如图 13 所示，导电球与导电板相距 1cm，与放电针相距 1cm。感应起电机正 极与放电针相连，负极与导电板相连，摇动感应起电机，观察实验现象，并 记录。增大导电球与导电板（或放电针）间距，观察实验现象，并记录。在 导电球与导电板之间，紧挨导电板放上一块有机玻璃板，观察并分析以上实 验现象的原因。将导电球换成乒乓球，观察实验现象。
实验现象
塑料转筒顺时针转动，但转速较慢，并且在转动的过程中向 B2 靠近。
实验分析
B1 上铁针尖端放电使塑料转筒带正电，从而在 B2 的铁针上感应出负电 荷，由于 B2 接地，相当于避雷针，可将塑料转筒上靠近 B2 一侧的正电荷引 出（避雷针原理），使转筒上正电荷分布如图 8 所示：
图8
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转筒靠近 B1 一侧正电荷较多，且由于和 B1 带同种电荷，受到斥力；靠 近 B2 一侧正电荷较少，且由于和 B2 带异性电荷，受到引力，两个力的力矩 方向相反，但由于斥力较大，斥力的力矩也较大，所以转筒仍顺时针转动， 但合力矩变小，所以转速较慢。转筒被 B1 排斥，被 B2 吸引，所以转动过程 中向 B2 靠近。
实验现象
固定杆 B1 与 B2 同时与起电机正极或负极相连接时，摇动起电机，塑料 转筒不转动。
将塑料转筒改为金属筒，B1 与 B2 分别接起电机正负极时，金属筒顺时 针缓慢转动，转速远小于塑料转筒；B1 与 B2 同时接正极或负极时，金属筒 不转动。
实验分析
1. 固定杆 B1 与 B2 同时与起电机正极相连时，塑料转筒上电荷分布如图 6 所示：
图 13
实验现象
1. 摇动感应起电机时，导电球被吸在板上，停止摇动后，导电球在放电针和 导电板之间来回运动，不断和针、板相碰；
2. 增大导电球与导电板间距，摇动感应起电机时，导电球被吸在板上，停止 摇动后，导电球在放电针和导电板之间来回弹几次后碰不到板，然后不断
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和放电针相碰并被弹开； 3. 紧挨导电板放上一块有机玻璃板，摇动感应起电机，导电球被吸在板上，
图 1：静电系列实验仪
图 2：感应起电机
实验内容 1：静电电动机实验
1. 按图 3 接线，静电电动机的固定杆 B1 与 B2 上接线柱分别用导线和静电感应 起电机放电叉上的正、负极相连接（正、负极可在感应起电机起电时，用带 有木夹子的氖泡判断）。摇动感应起电机，使固定杆 B1 与 B2 上的放电叉分别 带上正、负电，观察现象，并记录，分析原因。
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图3
实验现象
当固定杆尖端放置方向如图 4(a)所示时（俯视图），摇动感应起电机时， 塑料转筒顺时针转动，且摇速越快，转子转速越快；
(a)
图4
(b)
当固定杆尖端放置方向如图 4(b)所示时（俯视图），摇动感应起电机时，
塑料转筒几乎不转动。
实验分析
1. 尖端放电： 强电场作用下，物体表面曲率大的地方（如尖锐、细小物的顶端），
电荷密度高，等势面密集，电场强度大，致使它附近的空气被电离而产生 气体放电，此现象称电晕放电。尖端放电为电晕放电的一种，专指尖端附 近空气电离而产生气体放电的现象。在导体的带电量及其周围环境相同 的情况下，导体尖端越尖，尖端效应越明显。
尖端放电的发生与周围环境有关。环境温度越高越容易放电，因为温 度越高，电子和离子的动能越大，就更容易发生电离。环境湿度越低越容
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图 14
实验现象
1. 将固定杆 C1、C2 上放电针相互连接时，摇动感应起电机，导电球被吸在 导电板上，将导电板拉远，则导电球在放电针和导电板之间来回弹。
2. 断开放电针上的连接线，再摇动感应起电机，导电球几乎不动。
实验分析
1. 以右边的导电球为例进行分析，导电板 A3 带负电，会在导电球的右侧感 应出正电荷，而负电荷集中在球的左侧，因而会在右边的放电针上感应出 正电荷，同理，左边的放电针上会感应出负电荷。由于两个放电针相互连 接，且感应出的电荷相反，所以相当于两个接地的避雷针，电荷会在尖端 积累。右边的放电针尖端会积累很多正电荷，然后发生尖端放电，使导电 球带正电，所以导电球被吸在带负电的导电板 A3 上，由于摇动起电机时， 尖端放电不断进行，所以导电球一直被吸在导电板上。
停止摇动后，导电球继续被吸在板上； 4. 将导电球换成乒乓球，摇动感应起电机，乒乓球向导电板靠近。
实验分析
1. 摇动感应起电机时，放电针尖端放电，使导电球带正电荷，因而被带有负 电荷的导电板吸引，由于不断摇动起电机，尖端不断放电，正电荷不断流 入导电球，所以导电球会持续被导电板吸引而不会被弹开。停止摇动起电 机后，放电针尖端不再放电，导电球无法继续获得正电荷，并且因为和导 电板接触而带上负电荷，然后被导电板弹开，再和放电针相碰而带上正电 荷，又被放电针弹开，如此循环，导电球不断和放电针、导电板相碰。
2. 增大导电球和板的间距，停止摇动起电机后，球在放电针和导电板之间来 回弹几次后碰不到板，由于和放电针相碰而带上正电，因而会被放电针弹 开，此后，在排斥力和重力的共同作用下，导电球不断和放电针相碰并被 弹开。
3. 有机玻璃板是绝缘体，所以停止摇动后，导电球和导电板不会发生电中和， 故导电球继续被吸在板上。
图 10
实验现象
塑料转筒顺时针转动。如图 11 所示，大圆代表转筒，小圆代表蜡烛。蜡 烛环绕转筒放置时，离尖端越远，转筒转速越快，当蜡烛靠近尖端放置时， 转筒几乎不转。
转速最快
转速较慢
图 11
几乎不转
实验分析
铁针尖端放电使转筒带上正电荷，蜡烛加热空气，使空气电离产生正、 负离子，转筒靠近蜡烛一侧上的正电荷被空气电离产生的负离子中和，因而 带电量减少，从而造成转筒上正电荷不均匀分布。蜡烛处于不同位置时，转 筒上电荷分布如图 12 所示：
4. 将导电球换成乒乓球，虽然乒乓球是绝缘体，但放电针尖端放电仍会使其 带上正电荷，所以会被带负电的导电板吸引而向导电板靠近。
2. 如图 14 所示，把放电针固定杆 C1、C2 上放电针相互连接，导电板 A1、A3 分 别与感应起电机放电叉上的正、负极相连接。摇动感应起电机，观察现象， 并记录。在两个导电球刚好摆动的情况下，断开放电针上连接线，再摇动感 应起电机，观察现象，并记录。
图6
由于塑料转筒两侧所带电荷电性相同，在过渡区无法进行中和，所以 电荷在整个转筒周围都有分布，转筒所受排斥力方向如图 6 所示，力臂 为 0，所以力矩为 0，故而塑料转筒不转动。
综合前面的实验现象可知，转筒转动是因为正负电荷在过渡区中和 而造成电荷的不对称分布，从而使静电斥力的力臂不为零，产生力矩使转 筒转动。 2. 将塑料转筒改为金属筒，B1 与 B2 分别接正负极时，尖端放电仍会使金属