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會(huì)員注冊(cè)這是關(guān)于高中物理教材電場(chǎng)部分一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案,可以解決學(xué)生的誤解。
“法拉第圓筒實(shí)驗(yàn)”的改進(jìn)
法拉第圓筒是一個(gè)開口的銅桶。應(yīng)用于法拉第圓筒實(shí)驗(yàn)，測(cè)量束團(tuán)電荷量和抑制中子發(fā)生器中的二次電子等。
“處于靜電平衡狀態(tài)的帶電導(dǎo)體，其凈電荷只分布在導(dǎo)體的外表面”這一結(jié)論，在高中階段是用“法拉第圓筒實(shí)驗(yàn)”加以說明的。通過該實(shí)驗(yàn)的演示，學(xué)生能夠清楚地看到用移電導(dǎo)體球從圓筒的外表面把電荷移到了驗(yàn)電器上（可以明顯看到驗(yàn)電器的金屬箔片張開較大的角度），而從圓筒的內(nèi)表面卻無論如何也不能移出電荷（經(jīng)過很多次實(shí)驗(yàn)，移電球也不能使驗(yàn)電器的箔片張開哪怕很小的角度）。因此，學(xué)生對(duì)此結(jié)論不會(huì)產(chǎn)生任何懷疑。但是，由此也造成了學(xué)生理解的局限性。例如，對(duì)下面一類習(xí)題往往產(chǎn)生誤解：“如圖，帶正電的金屬球殼內(nèi)表面通過兩條導(dǎo)線分別與驗(yàn)電器A、B相連（驗(yàn)電器原來不帶電），則關(guān)于驗(yàn)電器箔片的說
法中正確的是：（A）都張開；（B）都不張開；（C）A張開；（D）B張開，A不張開。”此題學(xué)生往往容易錯(cuò)選B。他們的
邏輯是：“既然空腔導(dǎo)體內(nèi)表面不帶電，
則也不會(huì)有電荷通過導(dǎo)線傳到驗(yàn)電器上，因此驗(yàn)電器的箔片不會(huì)張開。”無疑，
這種說法是錯(cuò)誤的。但是，只通過講解使學(xué)生真正理解是相當(dāng)困難的。為了解決這個(gè)難題，筆者對(duì)“法拉第圓筒實(shí)驗(yàn)”做了一些小小的改進(jìn)，在原來移電球的基礎(chǔ)上又增加了一長一短兩個(gè)移電棒（一個(gè)帶有絕緣柄的金屬導(dǎo)體棒），要求長移電棒的長度必須保證其與圓筒內(nèi)壁接觸時(shí)有一段探露在圓筒外（一般是絕緣手柄一端露出圓筒外，這一點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵！但對(duì)具體長度沒有要求，為了提高實(shí)驗(yàn)的可見度，可適當(dāng)增大圓筒的大小和導(dǎo)體棒的長度），短移電棒的長度則必須保證其前端與圓筒內(nèi)壁接觸時(shí)另一端也在圓筒內(nèi)。演示時(shí)可以看到這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)用移電球從圓筒內(nèi)表面取電荷時(shí)，驗(yàn)電器箔片不張開；而當(dāng)用長移電棒取電荷時(shí)，箔片會(huì)張開很大的角度。這種強(qiáng)烈的對(duì)比必然會(huì)引起學(xué)生的注意和深思，此時(shí)再用短移電棒從圓筒內(nèi)表面取電荷再與驗(yàn)電器接觸，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器的箔片也不張開，然后進(jìn)行如下解釋：處于靜電平衡狀態(tài)的帶電導(dǎo)體，由于同種電荷之間的斥力作用，都會(huì)被排斥到導(dǎo)體的最遠(yuǎn)端，表現(xiàn)在只分布在導(dǎo)體的外表面，當(dāng)移電球與圓筒內(nèi)壁接觸時(shí)，移電球與圓筒就形成了一個(gè)導(dǎo)體，由于移電球處在圓筒內(nèi)部，在其上沒有電荷分布。而當(dāng)移電棒與圓筒內(nèi)壁接觸時(shí)，由于移電棒有一端伸出圓筒外，伸出圓筒外的這端自然變成了最遠(yuǎn)端，因此移電棒就帶上了大量的電荷。此時(shí)再演示用短移電棒從圓筒內(nèi)取電荷，就會(huì)發(fā)現(xiàn)仍然不能使驗(yàn)電器的金屬箔片張開。這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象會(huì)使學(xué)生的思維受到強(qiáng)烈的震撼，再加以適當(dāng)?shù)闹v解，問題自然就會(huì)迎刃而解了。
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