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第7章 光电小实验(1)

静电喷泉

操作难度:★★

实验方法:

在桌子上面放一块塑料板,板上再放一只装满水的白铁皮桶。取一根尖嘴玻璃管(尖嘴直径约0.3毫米),平的一端插入橡皮管中;将橡皮管灌满水后,橡皮管的另一头放入白铁皮桶内的水中,利用虹吸现象,一股水流即从玻璃尖嘴中射出。

再用导线将白铁皮桶连接到感应起电机的一个电极上。接着,摇动感应起电机。这时就可以看到从玻璃管的尖嘴处射出一股美丽的“喷泉”——“静电喷泉”。

这时,如用灯光照射,效果会更好。如果你不停地摇动感应起电机,并请别人用一支点燃的蜡烛火焰去烧尖嘴前的水流时,“喷泉”顿时消失而又成为一股细水流;当点燃的蜡烛从水流旁移开时,水流就又变成“喷泉”了!这是怎么一回事呢?

知识延伸:

原来,由于静电感应,使桶和桶内的水都带上了大量电荷,当水由尖嘴中射出时,由于同性电荷互相排斥,水滴流也会排斥,这样就形成了向四周散开的喷泉。

火焰会把空气分子电离成许多正离子,再与水中的电荷相互中和,“静电喷泉”便随之消失。

报纸生电

操作难度:★

实验方法:

把一张干燥的报纸铺在塑料贴面或有玻璃板的桌面上,用一小块的确良织物用力地在报纸上摩擦半分钟,使报纸带上大量电荷。把一块食品罐头上的圆铁片放在报纸中央,然后用双手把报纸提起来。这时,不论是谁,只要用手指很快地接近圆铁片,在指尖和圆铁片之间就会产生一个美妙的火花。

改用尼龙布和羊毛织物做同样的试验,可以比较出哪种物质能使报纸积累更多的电荷。

在干燥的天气里,用一张烘烤过的干报纸来做这个试验,效果最好。甚至可以产生3厘米左右长的火花。

知识延伸:

这就是摩擦起电现象。近代科学告诉我们:任何物体都是由原子构成的,而原子由带正电的原子核和带负电的电子所组成,电子绕着原子核运动。在通常情况下,原子核带的正电荷数跟核外电子带的负电荷数相等,原子不显电性,所以整个物体是中性的。原子核里正电荷数量很难改变,而核外电子却能摆脱原子核的束缚,转移到另一物体上,从而使核外电子带的负电荷数目改变。当物体失去电子时,它的电子带的负电荷总数比原子核的正电荷少,就显示出带正电;相反,本来是中性的物体,当得到电子时,它就显示出带负电。

静电除尘

操作难度:★★

实验方法:

取一直径约5厘米,长约30厘米,两端开口的玻璃圆筒。用铝芯导线在圆筒外面等间隔地绕上15~20匝。取一根将近30厘米长的直裸铜丝,一块面积比圆筒口略大的硬圆纸片。

在圆纸片中央开一个直径略小于铜丝外径的小孔。让铜丝穿过小孔,把圆纸片盖在玻璃筒上,并使直裸铜丝处于玻璃筒的轴线上。

把玻璃筒竖直地固定在铁架台的水平夹子上。然后把铝芯导线和铜丝的一端,分别接到感应起电机的正、负极上。

再找一小块废橡胶,轻轻按在图钉的针尖上。先用火柴将橡胶点燃,然后吹灭,再把它移到玻璃筒的下端,使冒出的白烟冉冉上升到玻璃筒中。待白烟充满玻璃筒后,摇动感应起电机,顷刻之间筒中白色的烟雾就消失了。

让起电机两极接触放电。再把圆纸片剪成1厘米宽的纸条,放回圆筒上端口,仍使直裸铜丝处于玻璃筒的轴线上。摇动起电机,你可发现,尽管橡胶仍然在冒白烟,但却看不到有白烟从玻璃筒的上端开口冒出。这就是“静电除尘”现象。仔细观察可以发现,原来干干净净的玻璃筒内壁上,积聚了斑斑点点的灰尘。

知识延伸:

以煤为燃料的工厂、电站,每天排出的浓烟带走了大量的煤粉,不仅浪费燃料,而且还造成了严重的环境污染。利用静电除尘原理,使烟囱里的煤粉带负电,吸附到带正电的烟囱内壁上,这样排出的烟就清洁了,收集起来的煤粉还可再利用,真是一举两得。

奇妙的闪光

操作难度:★★

实验方法:

把钢笔笔杆的尾部在头皮上用力摩擦几下,就能吸起桌上的小纸片。同学们都知道,这是由于摩擦起电的缘故。可你是否想过,带电体为什么能吸引轻小物体呢?原来,当带负电的笔杆靠近时,小纸片上离笔杆近的一端会出现正电荷,而远的一端会出现负电荷,这种现象叫静电感应。

由于正、负电荷相互吸引,小纸片就被吸到笔杆上了。其实,利用摩擦起电和静电感应不仅能吸引轻小物体,而且还能使日光灯管一次又一次地发出明亮的闪光呢。不信?好,我们就来做这个实验吧。

桌上平放着一块面积较大的“塑料王”平板,用一块丝绸紧贴平板表面用力摩擦多次,再将一个带有绝缘柄的圆形铝板平放到平板上。手握8瓦日光灯管的一端,将灯管另一端的两个金属接线柱接触铝板,日光灯管便发出明亮的闪光。然后,左手握绝缘柄提起铝板,右手用同样的方法使日光灯管下端接触铝板,日光灯管又一次发出明亮的闪光。

奇妙的是,不必再用丝绸去摩擦平板,只要把铝板再次平放到平板上,接着再一次提起脱离平板,将日光灯管下端的接线柱接触铝板,就会发出一次闪光。如果房间里空气干燥,日光灯管就可闪光好多次。

知识延伸:

原来,平板和铝板的表面都很粗糙,铝板虽然平放在平板上,但除了为数很少的点相互接触外,其余的都处于未接触状态。平板经丝绸摩擦后带负电,由于塑料的绝缘性能极好,平板上的电荷之间能相互绝缘。这样,就使铝板靠近平板的一面感应出正电荷,而装有绝缘柄的一面感应出负电荷。

当日光灯管的下端接线柱碰到铝板时,灯管两端的电压高达几千伏,日光灯导通,就发出明亮的闪光。当铝板上的负电荷通过灯管和手全部流入大地后,闪光便停止。此时铝板靠近平板的一面仍带有正电荷。提起铝板后,由于远离了平板,感应现象消失,铝板上的正电荷使和它接触的日光灯管两端仍有几千伏电压,再次导通发出闪光,直到正电荷全部流入大地。当铝板再次平放到平板上时,由于静电感应,铝板的两面又出现了正、负电荷,于是上述过程又可重复发生。

日光灯闪光时两端有几千伏特电压,人会有危险吗?不会。由于通过人体的电流很小,握日光灯管的手并没有什么异样的感觉。你可做一个简单的实验试试。

拿一个玻璃杯在火炉上烘一会儿后放在桌子上,玻璃杯上放一块金属板(找个易拉罐,剪开后压平就可用了),把一个吹得鼓鼓的气球在毛衣上使劲摩擦几下后放到金属板上。现在,请你伸出右手食指靠近金属板边缘,当食指离金属板边缘1~2厘米时,便有火花闪现。这火花释放了也带有几千伏高压的电荷,可你并没触电的感觉,对吗?

变动为静

操作难度:★★

实验方法:

用一盏8瓦的日光灯,从正面照射一台已卸下了安全罩的三叶台扇,使叶片的影子投射在白色的墙上。接通电源,当电风扇的转速增大到一定值时,墙上便出现了六个静止不动的叶片影子。奇怪,明明是三个叶片在快速旋转,为什么墙上会有六个叶片的影子,而且是静止不动的呢?

知识延伸:

原来,当人眼所观察的画面或物体消失时,画面上的情景还能在眼睛中保留0.04秒时间。这种现象叫眼睛的“视觉暂留”。电影放映就是利用人眼的视觉暂留现象,使得静止的胶片上的画面,在人眼看来是连续变化即运动着的。

日常所用的日光灯,每秒钟闪光100次,由于相邻两次闪光的时间间隔很短(0.01秒),所以我们平时感觉不到它在闪光。但是,当日光灯照到正在快速旋转的电风扇叶片上时,情况就不同了。如果每一片叶片在0.01秒时间内刚好转过60度角,那么,当叶片1的第一个影子在人眼中消失的同时,其第四个影子已在墙上出现,而与此同时,与叶片1成120度角的叶片2的影子又恰好落在叶片1的第一个影子的位置上。6次闪光后,叶片1回到了原来的位置。如此周而复始,就在墙上形成了六个看起来静止不动的叶片影子。

看来,奇妙的视觉暂留既能“变静为动”,又能“使动变静”。如果我们稍作计算,还能发现变动为静现象出现的规律:叶片每隔0.01秒转60度角,其转速为1000转/分,而日光灯每秒闪光100次,1分钟就闪6000次,它正好是电扇转速的6倍。进一步的研究证明,只要每分钟闪光的次数和转速相同,或是转速的整数倍,就能观察到这种被称为“频闪效应”的变动为静的现象。

现在,让我们增大台扇的转速,此时,你可发现墙上的六个叶片影子也跟着叶片同方向慢慢地旋转起来。如果减小台扇的转速,那么影子缓慢转动的方向就和叶片转动的方向相反。利用这一现象,可以做一个有趣的小实验。

从稍硬的白纸板上剪一个直径为5厘米的圆盘。在圆盘上画内、外两个圆环,并在内环上画8个大小相等黑白相间的扇形,在外环上画10个大小相等黑白相间的扇形。用针尖在圆盘中心刺一个小孔,再插上一根火柴梗,就做成了一个纸陀螺。在日光灯照射下,用手指捻动火柴梗,使纸陀螺在桌面上快速转动。一开始你看到的圆纸盘是呈单一的灰色的,过一会儿,你就会发现圆纸盘上的内环和外环沿两个相反的方向在旋转。为什么会出现这种现象呢?

其实,这也是一种频闪现象。当圆盘转速为25转/秒时,内环看起来是不动的;转速高于25转/秒时,内环便正转,即与圆盘实际转向一致。转速低于25转/秒时,内环便反转。对外环来说,转速为20转/秒时,它看起来是不动的;转速高于20转/秒时,它便正转。显然,当圆盘的转速在20~25转/秒时,就会出现外环正转、内环反转的奇妙现象了。

还可利用电视机的屏幕来观察一些有趣的频闪现象。打开电视机,将频道转换开关置于空频道位置,适当增大亮度,减小对比度,使电视机屏幕呈现一片乳白色。这时电视机屏幕的光,就是每秒钟闪动一定次数的闪光。

在屏幕前5厘米左右,竖直放一张用一段细竹和一根橡皮筋做成的弓。左手持弓,用右手手指拨弄橡皮筋,你就能从屏幕上看到橡皮筋振动时的波形。改变橡皮筋的松紧程度,再拨弄它,你可看到橡皮筋弯曲得很厉害,而且似乎静止不动了。但事实上,它仍在振动,而且一秒钟内要振动很多次。

取一根废锯条,对折成两段,用一根橡皮筋和一个螺丝钉做成一个简易音叉。用左手捏紧音叉下部,将音叉竖直放在离屏幕5厘米左右处。用右手拇指和食指捏紧两段锯条的上端,然后一放,锯条就振动起来,此时你看不清锯条的端部。稍微移动一下螺钉的位置,再使锯条振动起来。反复试验几次,你会发现,当螺钉在某一位置时,振动的锯条上端不仅清晰可见,而且还静止不动。平日里以宁折不弯而闻名的锯条竟变得弯弯曲曲了。

更有趣的是,让一个由一颗纽扣和一根棉纱线做成的单摆,在电视机屏幕前3厘米左右处来回摆动。此时,你会发现这根线在好几个位置上都显得很清晰,好像有几根线一样。如果把线的另一端打一个活结,套在钢笔套上,然后右手握笔,使摆在竖直面内转动。此时,你又可看到几十颗纽扣和几十根线分布在一个圆圈内。

显然,在闪光的照射下,快速运动的物体在人的眼睛中成了断续动作的物体。

铁钉变磁铁

操作难度:★

实验方法:

找一个3~4寸长的铁钉,把它放在火上烧红,再把它捂在沙里慢慢冷却,这叫退火。待铁钉凉透之后,把它靠近大头针,它对大头针没有一点儿磁力。然后,你左手拿着铁钉,一头对准北方,另一头对准南方,右手拿起木块,在钉头上敲打7~8下,你再把铁钉放进大头针盒里,它就能吸起一些大头针了。这说明,就这么敲打几下,铁钉磁化成磁铁了,虽然它的磁力不大。如果把它朝东西方向放好,再敲几下,它的磁力又会消失。

知识延伸:

原来铁钉没磁化前,它内部的许多小磁体,杂乱无章,磁力相互抵消,所以没磁力。当你把铁钉朝南北方向放好,敲打它,内部的小磁体受振,在地磁的作用下,就会规矩地排列起来,铁钉就有磁性了。当你把铁钉朝东西方向放好,再敲打时,铁钉内部的小磁体又会变得乱七八糟,所以铁钉又没有磁性了。

使磁性加强

操作难度:★

实验方法:

找两段约50毫米长的钢锯条,让它们吸在磁铁的同一磁极上,用锤子把其中一段猛击几下(钢锯条不能离开磁极),然后取下锯条,分别来吸小铁钉。结果,经过敲击的锯条,磁性明显增强。

另取两段锯片,也吸在磁铁的同一磁级上,将其中一段(不离开磁极)放在蜡烛火上加热半分钟,然后移开。用这两片锯条来吸小钉,显然,加热磁化的锯条,磁性大大加强。

知识延伸:

加热、敲击,都能使分子“活跃”,因而在磁化时更容易在外强磁场作用下排列整齐,所以磁性就增强了。

手指变多

操作难度:★★

实验方法:

一般人,一只手有5个手指,但这个实验可以突然使你的手指多起来。你相信吗?实验方法是在晚上打开电视机,然后把屋子里的灯都关掉,只剩下电视机发光。张开手的五指在电视机的屏幕前快速地晃动,这时你会发现手上的手指变多了,可能是6个,也可能是7~8个,手掌晃得越快,手指的数目越多。

这个实验也可以在屋里只有日光灯照明的情况下做。以白墙为背景,晃动你的手指,可以有同样的效果。在大街上对着只有日光灯照明的橱窗做这个实验效果更好。

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