滴水起电和温差起电

另两种起电方式：滴水起电和温差起电

——介绍两个研究性实验案例

何一军 浙江省武义第一中学（321200）

摩擦起电、接触起电和感应起电是三种常见的起电方式，我们在库仑定律的教学过程中总是要向学生提起并进行概括。本文将介绍另两种被广大物理教师忽视但又极具可操作性的起电方式：滴水起电和温差起电。我们的教学实践表明，作为两个课外研究性课题，学生对这两个实验的兴趣之浓厚超乎我们的预料，他们在课外研究中投入的态度也使我们感到欣喜。学生收获的不仅是实验的成功，研究过程中动手能力的锻炼、对团队协作精神的体会以及他们重新燃起的学习物理的兴趣尤为珍贵。本文介绍这两个实验的实验原理、器材设计及实验过程，供广大同行参考。

一、滴水起电

1、原理

电解质溶液中含有大量的正、负离子，如果我们能将两者分离，则液体即可带电。正、负离子在电场中受到的电场力方向相反，我们可用电场力将其分离。正、负离子运动方向相同时，在磁场中受到的洛伦兹力方向相反，我们也可以用磁场将其分离。当一股电解质溶液在流动过程中被分为两股时，溶液中正、负离子的分配会出现偶然性的不均衡，利用正、负离子分配不均衡产生的电场可进一步分离电解质溶液中的正、负离子，从而达到起电的效果，开尔文的巧妙设计使起电成为可能。

2、器材介绍及实验过程

—水中含有大量的H+离子和OH离子，本实

验以水为电解质溶液。如图1所示，当水从贮

水器中流出被分为两股分别流入容器C、D中

—时，H+和OH分配的偶然性不均衡使容器C、

D带电，设想C带正电，D带负电。由于感应

器通A过导线与D相连，感应器B通过导线与

C相连，A将带负电，B将带正电。A带负电

将吸引更多的H+离子流入C中，B带正电将吸

—引更多的OH离子流入中，这样，C、D容器

中的带电量逐渐增加，感应器A、B的带电量

也逐渐增加，如此形成循环。

我们看到的实验现象主要有两个，一是验电器的张角逐渐增大，但又时有缩小，表明当电荷积累到一定程度后有漏电现象发生。二是由于感应器A带负电，容器C带正电，在A、C之间形成向上的电场，带正电的水滴从滴管中滴落后受到重力和电场力的作用，由于是非匀强电场，电场力的方向可能向上也可能斜向上，水滴不再竖直下落，而是向四周散落。

通过本实验，学生首先了解到了另一种起电方式，经过思考与分析，学生能明白其起电原理与感应起电相似但又有不同。相同之处在于分离正、负电荷的都是电场力，不同之

处是电场中的导体会达到静电平衡，而本实验电场中的导体——流动的水，由于将电荷不

断地转移到容器中而始终不会达到静电平衡。其次，本实验让学生直接观察到了带电液滴在复合场（重力场和电场的叠加）中的运动，带电液滴在学生的练习中频繁出现，这种直观的感性认识有助于学生审题时在头脑中形成清晰的物理图景。

二、温差起电

1、原理

把任意两种不同的金属连接成一个闭合回

路，如果使两个连接点保持不同的温度T1和T2，

则回路中就产生电动势（温差电动势），温差电

动势的大小与两种金属材料的性质有关，也与温

度差T1－T2的大小有关。在通常情况下，温差电

动势一般只有1－10毫伏数量级。依其产生的机

理不同而有两种具体形式。一种称为汤姆孙电动

势。金属导线两端如果温度不同，高温端的自由

电子好像气体一样向低温端扩散，并在低温端堆积起来，从而在导线内形成电场。由电子热扩散不平衡建立的电场反过来又阻碍不平衡扩散的进行，最终达到动态平衡，使导线两端形成一稳定的电势差。若把同种金属导线两端连接起来，并把接点置于不同温度中，两段导线形成的闭合回路内将建立起相等而相反的两个电势，互相抵消，因而不能形成恒定电流。若把两种不同材料的金属连接成闭合回路，两个汤姆孙电势不相等，则会形成电动势，温差越大，形成的电动势也越大。另一种称为珀耳帖电动势。两种不同金属连接起来，由于接触面两侧金属内自由电子浓度不同，电子将从浓度大的一侧向浓度小的一侧扩散，在接触面间形成电场，从而在两种金属间形成电位差。显然，两种金属连成回路，并把接点置于相同温度中，两接触面间将建立相等而相反的电动势，因而也形不成恒定电流。只有两接点温度不同，两个珀耳帖电动势不等，才会形成电动势。而且温差越大，形成的电动势也越大。

2、器材介绍及实验过程

本实验的设计方案有很多，本文介绍易

于操作且实验效果较明显的一种。如图3所

示，图中3是电阻率较大的另一种金属块，

本实验采用熔断丝（保险丝）压制而成。先

将铁块1放入冰水中浸泡10到15分钟，同

时将铁块2用酒精灯加热10到15分钟，然

后按照图中顺序叠放，铁块1和铁块2用铁

夹固定，铁块与铁夹之间有绝缘物相隔，铁

块1和铁块2焊接导线通过开关连接至微安

表。继续加热铁块2，合上开关，微安表指针发生偏转。在一般条件下，本实验所形成的温差电流可达到10微安至40微安，实验效果明显。

在新课程背景下，研究性学习的重要性日益凸现，以小组团队合作的形式通过对各种课题的研究，学生不仅可获得亲身参与研究探索的情感体验，培养自己发现问题和解决问

题的能力，收集、分析和利用信息的能力，更重要的是激发了其学习、探索的兴趣，同时

也使他们学会了分享与合作，明白了什么是积极的科学态度与责任感。高中物理学科的研究性课题应充分体现物理学科特点，选取或设置的课题应具备知识性、趣味性和可操作性， 本文所介绍的两个课外研究性实验具备以上特点，值得同行借鉴。