电场力做功

电场力做功

the Electric Field Does Work

在重力场中，物体受重力作用从高处下落到低处，物体的动能增加了，增加的动能由重力对它做功转换而来。重力做功很直观，我们非常容易理解。而电场力对带电物体做功，情况虽然非常类似，但由于我们不能直接观测到微观世界中，电场力对带电微粒（如电子、质子和α粒子等）做功的现象。本实验用宏观的带电小球代替“带电微粒”，使电场力做功变得很直观，增加了学习的趣味性。

实验装置

演示装置如图1所示，它由静电起电机、绝缘盘电极和锡箔小球等组成。其中绝缘盘电极是将食品包装用的铝箔，剪成圆形，分割成如图2所示的形状，形成两个电极，并将两个电极用固体胶粘贴在塑料或玻璃等绝缘餐盘中，如图3所示。最后将外围电极去掉一部分，将中心电极引出。粘贴好后，用橡皮之类的东西在电极上摩擦，使电极变得平坦光滑，以减少锡箔小球通过电极时的阻力。而锡箔小球用锡箔纸揉成的小球，直径约2～3mm。

图1　电场力做功演示装置

图2　金属铝箔形状示意图

图3　金属铝箔形状照片

现象观察

将盘子放在实物展示台上投影，把两个电极分别接到感应起电机上，锡箔小球放在电极上，摇动起电机，使电极带电，锡箔小球就会动起来。锡箔小球逐渐加速，并靠向餐盘的边缘（如图4所示）。也可以同时放入两个锡箔小球，锡箔小球加速后相互追逐，增加演示的趣味性。

现象探索

如图4所示，设与金属铝箔外围相连的电极带正电，与中心相连的铝箔电极带负电。为清楚起见，正极的部分画成红色，负极的部分为蓝色，锡箔小球则是紫红色。锡箔小球由图4所示的位置出发时，由于与正极接触带上了正电，此电极与相邻负电极间的电场对带正电的锡箔小球做正功，锡箔小球加速到达图5所示位置时，与负电极接触，带上负电，此电极与下一个相邻正电极间的电场对带负电的锡箔小球仍然做正功。锡箔小球到达下一个电极时重复以上的过程，电场对小球不断做功，使其一直加速。锡箔小球动能的不断增大，直观地体现了电场力做功的效果。

图4　金属铝箔形状

图5　金属铝箔形状

知识拓展

我们注意到有人报道了用“六味地黄丸”药丸作为小球做实验。“六味地黄丸”药丸可看作绝缘体，与导体的锡箔小球差别很大。你能分析一下药丸被加速的原因吗？先预测药丸和锡箔小球，哪种效果好？然后做实验试一试。

思考题

1.如果只使锡箔外围相连的电极带正电，摇动起电机，锡箔小球会如何运动？

2.在这个实验中，电场力做功与哪些因素有关？