二 分析装置的特点

验证干电池两端带有静电荷的实验如图 5－5 所示，非静电力把正电荷移送到 A 极，A 极就有了多余的正电荷，B 极就有了等量的负电荷，于是在电源内部形成了电场。这个电场是阻碍正电荷从 B 极移到 A 极的，两极上的异种电荷越多，阻碍正电荷从 B 极移到 A 极的静电力越大。如果外电路是断开的，当两极上的异种电荷达到一定值时，静电力和非静电力对电荷的作用达到平衡，正电荷从 B 极移到 A 极的过程停止。这时电源两极间就建立了一定的电压①⋯⋯说电源两端有电压（或电势差），学生是容易理解的。但说这个电压是由静电荷产生的，即电源两端有静电荷，学生往往难以理解。

如何来验证电源（如干电池）两端带有静电荷呢？对此，我们可以这样来思考。

虽然在外电路断开时，两电极的电势差为一定值（等于电池的电动 势）。但是，两电极所带的电荷的多少却没有一个确定的值，而是由两电极的形状、大小所决定的电容的大小所决定。这个电容越大，两极电量就越多。如果我们能设法加大两极极板的电容，使极板上带大量的电荷，然后使极板与电池脱离，亦即使得极板上的电荷保存下来，最后只要检验出极板上有电荷（而且是异种电荷），就能说明电源（这里指直流电源）两极是带有静电荷的（而且带的是异种电荷）。

根据上述设想可以设计一个实验方案，如图 5－6 所示。将平行板电容

器的两个极板与干电池（如 15V 或 22.5V 的电池）两极相连，以作为电池的两新极板。

为使两新电极的电容增大，可将极板紧紧相靠，靠得越近，电容越大。为了使它们靠得很近又不接触，可在其中一块极板上套上一只干净的塑料食品袋，以作为两极板间的绝缘介质，如图 5－6（a）。这时，虽然两极板间的电势差仍等于电池的电动势（如 15V），但由于两极板的电容比较大，所以两极板上的电量已相当多。然后把两极板与电池断开，将其中的另一块极板与一只金箔验电器的导棒相接触，即可见验电器箔片张开了一个明显的角度，如图 5－6（b），由此说明电池两端有电荷。进一步检验可发现电池两端带有异种电荷。

演示结果与上述方案中预料的实验结果完全相同。这个实验似乎已经证明了电池两极是带电的。然而，事实上这个实验是不能说明问题的。如果在图 5－6（a）中，我们不用干电池正负极与两极板相接触，而是用我们手的拇指和食指与两极板接触（甚至不接触），图 5－6（b）所示的情

况同样能出现。这是否说明拇指和食指之间存在电位差呢？显然不是。这里，验电器箔片的张开主要是由于极板 P1 在跟 P2 靠紧的过程中与塑料食品袋的接触以及以后分开的“摩擦”作用，使 P1 和塑料食品袋带上了电所引起的。只有当 P1，P2 都套上塑料食品袋时，由于在相同条件下的同种物体

相“摩擦”不致于产生足以影响实验结果的电荷，才使电池两极的电荷能起主要的决定性作用。这样，实验原理才没有问题。事实上，不套食品袋， 只要将两板尽可能靠得近些，实验同样能成功。在上述验证干电池两端带有静电荷的实验中，我们实际上是利用了平行板电容器的原理，设计了实验方案，如图 5－7。

这个实验装置的特点是：能使得用较小的电压给平行板带上的电荷， 足以用验电器检验出来。或者说，用验电器检验出了平行板上带有电荷， 而说明了较小电压的存在；或者说，为了比较小的电压给某一金属板带上足以用验电器检验出的电荷，可以根据平行板电容器的原理，采用“平行板”的方法；或者说，为了给某一绝缘导体带上更多的电荷，可以采用组成电容器的方法。

如果我们能从上述四个不同的角度来看待图 5－7 所示装置的特点的话，我们完全可以将这一装置“迁移”到其他一些实验之中，并可能得到较好的效果。

感生电动势的演示

高中物理课本在引入感生电动势概念后便指出，“在电磁感应现象中，不管电路是否闭合，只要穿过这个电路所围面积的磁通量发生变化，电路中就有感生电动势。如果电路是闭合的，电路里就有感生电流，如果电路是断开的，电路中就没有感生电流，但感生电动势仍然存在。”

为了帮助中学生理解这段话，我们应该创造条件让学生观察到当电路

不闭合时，感生电动势仍然存在的现象。为此，可采用如图 5－8 所示的实验装置。图中，C 为线圈，S 为碰撞开关，A，B 为靠得很近但不接触的绝缘金属平板。

装置左边的虚线框中的部分相当于一个电池，右边的虚线框中的部分就是图 5－7 装置的“迁移”——用以显示感生电动势存在的显示装置。

当条形磁铁从线圈中迅速抽出时，线圈中的磁通量迅速变小，线圈导线中的自由电子在涡旋电场的作用下，向某一平板堆聚，从而使两平板带上大量异号电荷。当条形磁铁冲击碰撞开关，切断了 A 板与线圈的通路，A 板上的大量电荷就被保留下来了。这时，A 板上的对地电压是不大的（充其量等于磁铁抽出产生的最大感生电动势），它不一定能使验电器张开一个可见的角度。然后，移开 B 板，使平行板电容器的电容大大减小，这时， A 板的对地电压就大大增大了，可见，验电器箔片张开了一个明显的角度。由验电器箔片的张开，说明了平行板两极板上带上了电荷，说明了在磁铁抽出线圈——线圈内磁通量变化时，两极板间——线圈的两端存在着电

压，即线圈内存在着电动势——由电磁感应而产生的感生电动势。

光电效应演示实验

高中物理课本在讲到光电效应时，都首先介绍了这样一个实验：把一块擦得很亮的锌板连接在灵敏验电器上，用弧光灯照锌板（图 5－9），验电器的指针就会张开一个角度，表示带了电，进一步检查知道锌板带的是正电，这是因为它的电子在紫外线的照射下从表面飞出，锌板中缺少了电子，于是带正电。

这个实验按课本所述的方法，一般不太容易成功。其原因是：开始时， 锌板上的电子在紫外线的照射下从表面飞出去，锌板就带上了正电，在周围的空间里就形成了一个电场，这个电场对电子的飞出有一个阻碍作用（即锌板上的正电荷对飞出电子的吸引作用）；随着飞出的电子增多，锌板上所带正电荷增多、电位升高、周围的电场增强、对电子飞出的阻碍作用增大，直到电子飞出时的最大初动能与电子在电场中的电势能相等时，电子就无法飞离锌板，锌板上的电荷就不会再增强，电位也就不再升高，于是就达到了平衡状态。这时，锌板的电位可以高到多少伏呢？对此，我们可

以这样来推算，根据爱因斯坦光电效应方程（ 1 mv² = hv - w = hv - hv ）

2 0

及达到平衡状态时电子的最大初动能等于其静电势能（ 1 mv² = eU）可

知，锌板可达到的电位为：

2 m

U = h(v − v0 )

e

式中：h=6．63×10-34J·s，v0=8．065×10-19Hz，e=1.60×10-19C。

一般弧光灯发出的紫外线频率γ的数量级可达 1015Hz，所以，U 的数量级仅为 10°V，即至多达到几 V（最多不超过几十 V），而一般指针验电

器对几伏的电位差是检验不出来的，这就是课本所述的方法一般不易成功的道理。

有些书在介绍这个实验时，通常总是说先给锌板带负电，使验电器指针张开一个角度，然后，用弧光灯照射锌板，可看到验电器指针迅速合拢。由此再说明锌板上的电子在紫外线的照射下飞了出来。由前面的分析可

见，这个方法之所以易于成功，是因为开始时锌板的电位为负，它对光电子不是起阻碍作用，而是起加速作用；随着光电子的飞出，锌板的电位升高，最后当锌板的电位达到正的几伏时，光电子不再飞离锌板面，从而达到平衡状态，在这个过程中，锌板上电位的变化幅度较大，验电器指针的摆动就能清楚地显示出来了。

但是，这种方法常会使学生误解，认为只有带负电的金属板在光的照射下电子才能从金属表面飞出而产生光电效应。为了避免这些问题，又能把课本所述的实验做成功，我们可利用平行板电容器在所带电量（基本）

不变的情况下，两极板间的电位差随电容器电容的减小而增大的原因，对课本所述的实验装置进行了改进。改进后的装置如图 5－10 所示。P1（锌板）和 P2（金属板）组成平行板电容器；两极板相对面上分

别贴上相同材料的塑料薄膜，两板紧靠，将金箔验电器的导棒和外壳分别与 P1 板和 P2 板连接。演示时，先用砂纸把 P1 板向外的一面打光，然后，用弧光灯或紫外灯照射锌板 P2，锌板就有光电子飞出，随之，锌板的

电位升到几伏（达到平衡状态），这时，验电器箔片并不张开。但是由于P1、P2 组成的电容器的电容很大，所以 P1 板上积聚的电荷较多。熄掉弧光灯箔片仍不张开（P1 和 P2 间的电位差仍只有几伏）移走 P2 板，即减小电容器的电容，这时由于 P1 板上的电量基本不变，所以 P1 板的电位迅速升高，

从而使得验电器导棒的电位（即导棒与外壳的电位差）迅速升高，验电器箔片就张开了一个明显的角度。

验电器箔片的张开说明了两极板之间有电位差，即 P1 板上带有电荷，

通过检验可知，它带的是正电。由此可说明锌板在弧光灯紫外线照射下发生了光电效应现象。如果再把它与白炽灯代替弧光灯照射锌板面不发生上述现象加以比较，则能说明光电效应的发生与入射光频率有关的事实。