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摘要：將初中物理中的水位計(jì)、高中物理中的溫度計(jì)與之做了一個(gè)深入的類(lèi)比研究，從而讓學(xué)生從熟悉的知識(shí)輕松地跨越到生疏的知識(shí)，進(jìn)而深刻地理解和掌握靜電計(jì)的結(jié)構(gòu)和原理，突破了靜電計(jì)教學(xué)的困難，值得廣大高中教師學(xué)習(xí)借鑒．
高中階段，溫度計(jì)、靜電計(jì)的原理，向來(lái)為學(xué)生所糊涂，究其原因，基本上都是由于不明白溫度計(jì)實(shí)際上是個(gè)熱容器、靜電計(jì)實(shí)際上是個(gè)電容器，不明白它們與待測(cè)物體是并聯(lián)關(guān)系，不明白測(cè)量的基礎(chǔ)是對(duì)應(yīng)的平衡原理．為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們類(lèi)比學(xué)生熟悉的初中物理中的水位計(jì)，來(lái)組織教學(xué)．教學(xué)實(shí)踐證明，這種方法對(duì)學(xué)生理解溫度計(jì)、靜電計(jì)原理比較好，特整理出來(lái)與大家分享，并請(qǐng)大家批評(píng)指正．
１　水位計(jì)原理
如圖１所示，一根與大的水桶（或鍋爐）下部連通的豎直透明玻璃細(xì)管，就是一個(gè)水位計(jì)，利用水位計(jì)中的液面與水桶（或鍋爐）中的液面等高，就可以了解水桶或鍋爐中的水位情況． １．１　水位計(jì)———小的水容器
水位計(jì)盡管很細(xì)，但是毫無(wú)疑問(wèn)的是，它工作時(shí)是裝有水的，也就是說(shuō)，它是一個(gè)水容器，它會(huì)分得一部分待測(cè)水桶（或鍋爐）里的水；不過(guò)，水位計(jì)的確很細(xì)，盡管它里面的水位可能很高，但是其分得的水量，相對(duì)水桶（或鍋爐）內(nèi)的水量，則完全可以忽略不計(jì)，因此，在水位計(jì)工作時(shí)，它對(duì)水桶（或鍋爐）內(nèi)水量的影響就可以忽略不計(jì)．（本文相關(guān)產(chǎn)品推薦：側(cè)裝磁翻板液位計(jì)）
１．２　連通器原理
水位計(jì)的下端與水桶（或鍋爐）的下部連通，水位計(jì)中的水在底部產(chǎn)生的壓強(qiáng)，等于水桶（或鍋爐）內(nèi)的水在下部連通處產(chǎn)生的壓強(qiáng)，由于兩側(cè)水的溫度、密度相同，上端氣室也相通，因此，兩邊水面高度必然相同．這就是初中所學(xué)習(xí)的連通器原理．水位計(jì)的工作，就是在連通器原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的．值得一提的是，如果水位計(jì)和水桶（或鍋爐）內(nèi)的液體密度不同（一般不會(huì)出現(xiàn)這種情況），則根據(jù)兩邊液體在連通位置處產(chǎn)生的壓強(qiáng)相等可知，水位計(jì)中液面的高度就會(huì)與水桶（或鍋爐）中的液面高度不同．但是，無(wú)論如何，兩邊液體在底部連通處產(chǎn)生的壓強(qiáng)相等．
２　溫度計(jì)原理
常見(jiàn)的溫度計(jì)有酒精溫度計(jì)和水銀溫度計(jì)，如圖２所示，這兩種溫度計(jì)都是底部一個(gè)玻璃泡上部一根細(xì)玻璃管，其中玻璃泡中充滿(mǎn)了紅色酒精或者水銀，它工作時(shí)，是將底部玻璃泡與待測(cè)物體充分接觸并持續(xù)一段時(shí)間，待細(xì)玻璃管中的液柱長(zhǎng)度穩(wěn)定后，直接由液柱的長(zhǎng)度與刻在玻璃管上的溫度刻度對(duì)比，即可讀出待測(cè)物體的溫度． ２．１　溫度計(jì)———小的熱容器
溫度計(jì)中充有的酒精或者水銀，在吸收熱量后體積就會(huì)膨脹，經(jīng)驗(yàn)表明，在一定溫度范圍內(nèi)，一定量的這兩種液體的體積，與溫度呈較好的線(xiàn)性關(guān)系，因此，只要在相應(yīng)的體積（液柱長(zhǎng)度）處，刻上對(duì)應(yīng)的溫度值，就可以直接根據(jù)液柱的長(zhǎng)度讀出溫度計(jì)中液體的溫度．
溫度計(jì)在與待測(cè)物體充分接觸的時(shí)間內(nèi)，就會(huì)從比溫度計(jì)溫度高的待測(cè)物體中吸收熱量，但由于溫度計(jì)中的液體量極小，且由于示數(shù)的玻璃管很細(xì)，其在溫度升高到與待測(cè)物體溫度相同時(shí)，根據(jù)Ｑ＝ｃｍΔｔ可知，其吸收的熱量是很小的，因此，它幾乎不影響待測(cè)物體的溫度．不過(guò)，對(duì)于人體皮膚這個(gè)敏感的感受器而言，一開(kāi)始接觸時(shí)，皮膚是會(huì)明顯感受到接觸處熱量的流失的（感覺(jué)溫度計(jì)冷），但是由于溫度計(jì)熱容很小，很快就可以升溫到與皮膚溫度相同，皮膚就不再覺(jué)得溫度計(jì)冷了．
２．２　熱平衡定律
當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，當(dāng)熱傳遞進(jìn)行到一定程度時(shí)，熱量不再發(fā)生宏觀流動(dòng)，這時(shí)，我們就說(shuō)這兩個(gè)物體達(dá)到了熱平衡狀態(tài)；實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)兩個(gè)物體均與第三個(gè)物體達(dá)到熱平衡后，將這兩個(gè)物體接觸時(shí)，它們也已經(jīng)處于熱平衡關(guān)系中．這就是熱平衡定律，又稱(chēng)之為熱力學(xué)第零定律．
為了描述幾個(gè)達(dá)到熱平衡物體的共同屬性，我們引入溫度概念，并定義達(dá)到熱平衡的幾個(gè)物體溫度相同，溫度不同的物體之間會(huì)發(fā)生熱傳遞，則定義提供熱量的一方溫度高，接收熱量的一方溫度低．
當(dāng)溫度計(jì)與待測(cè)物體充分接觸后，也就是進(jìn)行充分的熱傳遞后，最終的結(jié)果必然是兩者溫度相同，因此，利用溫度計(jì)中液體膨脹的體積情況，即可以讀出溫度計(jì)中液體的溫度，也就是待測(cè)物體的溫度．
３　靜電計(jì)原理
如圖３所示，靜電計(jì)是由一個(gè)圓形金屬圓筒與一根較細(xì)的、與圓筒絕緣的金屬桿組成，金屬桿下端有一個(gè)可以繞固定軸自由旋轉(zhuǎn)的金屬指針．當(dāng)靜電計(jì)與待測(cè)電容器并聯(lián)且達(dá)到穩(wěn)定后，就可以利用靜電計(jì)指針偏轉(zhuǎn)的角度讀出待測(cè)電容器兩極板間的電壓．
３．１　靜電計(jì)———小的電容器
如圖３所示，從靜電計(jì)的結(jié)構(gòu)可以看出來(lái)，靜電計(jì)是兩塊彼此靠近而又絕緣的導(dǎo)體———金屬圓筒、金屬細(xì)桿（連同指針），因此是個(gè)電容器． 靜電計(jì)工作時(shí)，需要與待測(cè)電容器并聯(lián)，并將待測(cè)電容器極板上的電荷轉(zhuǎn)移一部分過(guò)來(lái)，從而使金屬圓筒和金屬細(xì)桿（連同指針）帶上等量異種電荷，而細(xì)桿與指針帶上相同的電荷之后，就會(huì)相互排斥，從而顯出張角，當(dāng)靜電計(jì)兩極間的電勢(shì)差增加時(shí)，由Ｑ＝ＣＵ可知，金屬圓筒或金屬細(xì)桿（連同指針）所帶電量越大，細(xì)桿與指針之間的排斥力就越大，指針張角就會(huì)越大．
由于細(xì)桿和指針表面積很小，且與金屬圓筒距離很大很大（相對(duì)紙媒電容器、電解電容器而言），因此，靜電計(jì)的電容又是很小的，它與待測(cè)電容器并聯(lián)時(shí)，從待測(cè)電容器轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的電荷量，相對(duì)待測(cè)電容器所帶電荷量而言，可以忽略不計(jì)．
３．２　靜電平衡原理
當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連通或直接接觸時(shí)，自由電荷會(huì)自發(fā)地向電勢(shì)能較低的方向移動(dòng)，當(dāng)自由電荷不再發(fā)生定向移動(dòng)時(shí)，意味著自由電荷不論是在兩個(gè)連通導(dǎo)體中的哪一個(gè)上，電勢(shì)能都是相同的，也就是說(shuō)，兩連通導(dǎo)體的電勢(shì)相等，這就是靜電平衡原理．
如圖４所示，當(dāng)靜電計(jì)的金屬圓筒與待測(cè)電容器一個(gè)極板連通（兩者均接地，通過(guò)大地連通，取大地電勢(shì)為零），金屬細(xì)桿與待測(cè)電容器的另一個(gè)極板連通，經(jīng)過(guò)極短時(shí)間，連通的導(dǎo)體之間就可以達(dá)到靜電平衡，從而使得靜電計(jì)兩端電勢(shì)差與待測(cè)電容器兩端電勢(shì)差相等．從靜電計(jì)指針張角的大小讀出靜電計(jì)兩極間的電勢(shì)差，也就讀出了與其并聯(lián)的待測(cè)電容器兩極間的電壓． ４　總結(jié)對(duì)比
水位計(jì)、溫度計(jì)、靜電計(jì)的類(lèi)比如表１所示． 從上述總結(jié)來(lái)看，３種儀器工作的基礎(chǔ)都是與待測(cè)物體達(dá)到一種強(qiáng)度量（壓強(qiáng)、溫度、電勢(shì)）的平衡，而這個(gè)過(guò)程中，幾乎必然要與待測(cè)物體發(fā)生對(duì)應(yīng)的廣延量（水量、熱量、電荷量）的轉(zhuǎn)移，從而對(duì)待測(cè)物體的對(duì)應(yīng)強(qiáng)度量造成一定的影響；但是，由于這３種儀器本身的容量很小，在達(dá)到與待測(cè)物體的平衡時(shí)，其可能分得的對(duì)應(yīng)廣延量的數(shù)值，相對(duì)待測(cè)物體本身所具有的對(duì)應(yīng)廣延量而言，幾乎可以忽略不計(jì)，因此，這３種測(cè)量?jī)x器本身的示數(shù)（儀器本身的強(qiáng)度量）就很接近測(cè)量前待測(cè)物體的相應(yīng)強(qiáng)度量，從而達(dá)到測(cè)量的目的．