靜電現象演示儀的制作研究

湯有國

(浙江省天臺中學,浙江 天臺 317200)

·物理實驗·

靜電現象演示儀的制作研究

湯有國

(浙江省天臺中學,浙江 天臺 317200)

實驗探究是物理核心素養的重要組成部分,物理實驗又是學生能夠高度參與的教學載體．在實驗教學的二次開發中,一方面,我們應設計更多的空間、時間能夠讓學生參與進來;另一方面,在實驗中,我們應讓實驗更有展示性、可操作性、本真性,這樣才能充分激發學生學習的熱情;同時,結合課堂時間的有效性,實驗應具有易操作,易成功的特點．筆者作為一線教師,在人教版選修3-1的“靜電現象的應用”一課的教學過程中,課文中的演示實驗在實際操作中碰到很多困難,基于此,筆者結合自己的教學需求與點滴經驗提出了自我的一點看法,并制作了一個靜電現象演示儀．

物理實驗;實驗教學;核心素養;靜電現象;教學反思

1 問題的由來

物理實驗教學永遠是物理教學中核心內容和熱點話題．在人教版選修3-1的“靜電現象的應用”這一節當中,靜電荷分布的相關教學內容具有抽象,講解難度大,學生相關生活經驗少,理解難度高的特點．盡管課本中的法拉第圓筒實驗在一定程度上能說明靜電荷在內外表面的分布問題,[1]以及尖端放電現象能說明尖端的電荷分布比較密集的特點;但是兩個實驗都存在著比較大的局限性．

(1) 法拉第圓筒實驗的局限性.

成功率低:在天氣相對潮濕的南方,電荷損失比較大,在電荷轉移的過程中,電荷損失又會比較多,所以在檢驗圓筒外表面電荷的時候,動作必須迅速,電荷稍縱即逝,成功率比較低．

實驗不具有普遍性,體驗性不強:驗電器,電荷轉移棒,法拉第圓筒都只有實驗室里有,而且數量不多,只能教師演示,學生無法有直接的體驗,自己制作這些取材不便,制作難度也較大．

可信度偏低:在實驗中,學生可能會認為在電荷轉移的過程中,電荷跑光了致使驗電器金屬箔不張開．

現象視覺沖擊偏低．

(2) 尖端放電實驗局限性.

實驗現象具有震撼性,但是過于單一,電荷分布特點不突出．尖端放電只能說明尖端的電荷比較多,比較密集;對于平緩處的電荷是否有電荷,電荷分布怎么樣,則得不到對應的解釋．

實驗條件要求比較高．兩個尖端在一定的距離上發生放電現象;事實上,在實際操作過程中發現,相同距離的兩個弧面間也會發生放電(主要弧面表面不夠光滑,有許多微小的尖端,但學生并不清楚,也看不出來)．盡管放電的聲音與尖端放電有所不同,但是學生很難分辨出這個現象．如此,尖端放電現象說明尖端電荷分布比較密集,平緩處電荷分布比較稀疏的特點,在說服力上,在學生觀察這個角度來講就要打一個折扣了．

鑒于上述幾點問題,我們研究制作了靜電現象顯示儀,它不僅成功率高,現象明顯,視覺效果強,說服力高,而且制作簡單,取材方便,操作簡單,任何一個學生都可以自己動作制作．

2 儀器的制作

(1) 理論依據.

帶電體同種電荷相互排斥,電荷在電場中會受到電場力的作用．帶電體帶電量越大,排斥現象越明顯,電場力越大,金屬箔等張開角度會越大．

(2) 制作材料和工具.

材料:金屬圓筒(可用奶粉罐,油漆桶等金屬筒均可),絕緣支架,螺絲釘(作為尖端),流蘇線(就是用來做中國結穗子的那種),餐巾紙(剪成條狀),砂紙(擦除絕緣漆),透明膠．

工具:小型螺絲刀,剪刀,釘子,小鐵錘．

(3) 制作流程(如圖1).

圖1 演示儀構造

① 準備材料和工具．

② 在奶粉罐的螺絲釘固定處和餐巾紙粘貼處以及接線柱處,用砂紙打磨去絕緣漆．

③ 在接線柱和螺絲釘固定處用釘子打上小孔．

④ 用螺絲刀將螺絲釘和接線柱固定在奶粉罐的頂部和側部,并保證接觸良好．

⑤ 在奶粉罐兩側和內側分別粘貼上餐巾紙,流蘇線(即實驗室的驗電羽)．

⑥ 制作支架,木架或者塑料泡沫均可．

(4) 制作注意事項.

① 作為尖端的螺絲釘盡可能的尖,不要在固定的過程中把尖端損壞了,從而影響了實驗效果．

② 餐巾紙剪成條狀時,相對要剪得細些,均勻些．此處可以用其他一些材料來替代,像驗電羽,金屬箔都可以,但是餐巾紙的效果最好．

③ 在顯示尖端和平緩處電荷分布特點時,不能使用餐巾紙替代流蘇線,因為餐巾紙非常輕,非常靈敏;假如平緩處和尖端處均用餐巾紙,金屬筒帶電后,兩處均會張開,而且效果都很明顯,如此,就顯示不出兩者電荷的一個分布特點了．使用流蘇線也是我們在比較了很多材料后才定下的,我們使用過毛線,金屬箔,餐巾紙,紙條,頭發,塑料絲等,最后發現,流蘇線為最佳選擇．

④ 在顯示尖端和平緩處電荷分布特點時,還應注意,使用的流蘇線不可太多,據我們的經驗,一根為最好;因為尖端處,電荷分布最密集,但是總量不一定最多,流蘇線張開的角度和電荷的量有關．當然,可能不同的環境,情況會有所不同,可以肯定的是不可太多．這個制作者要注意把握數量,以獲得最佳的實驗效果．

⑤ 支架必須絕緣,盡量減少金屬筒上的不必要的尖端,減小漏電,以延長實驗時間．

(5) 儀器成品展示(如圖2).

圖2圖3

(6) 實驗現象展示.

① 當給金屬筒帶上電荷后,我們會發現外側的餐巾紙盒流蘇線都張開(如圖3右側),但是內部的餐巾紙沒有張開．這個說明在金屬導體上,電荷分布在外表面,內表面沒有電荷分布．

② 在流蘇線張開的一側,觀察到明顯的張角不同,螺絲釘(尖端)處線張角很大,粘貼在平緩的金屬筒上的流蘇線只是微微張開(如圖3左側)．此現象說明,尖端處電荷分布密集,平緩處電荷分布稀少．

(7) 實驗備注.

對于實驗過程中需要的靜電荷,根據學校的實際,可以用電線管和垃圾袋摩擦得到,有條件的也可以將接線柱接到靜電起電機上．據實際經驗,以上得到的電荷量還是比較多的,足夠提供實驗所需的靜電荷．

3 實驗拓展

金屬筒內表面不帶電,但是當驗電器通過導線和金屬內表面連接時,驗電器又會張開,如圖4所示．這個現象可以通過理論解釋,但是很多學生還是會將信將疑,這里可以通過實驗儀器解決學生心中的迷惑．

圖4 實驗拓展

4 實驗反思

盡管通過改進,實驗具有成功率高,現象明顯,視覺效果強,說服力高,而且制作簡單,取材方便,操作簡單,任何一個學生都可以自己動作制作等優點．但是仍有許多不足之處,特別是在實驗現象保持的時間上還是不夠,而且在觀察的過程中還處于一種動態變化的過程,這些都需要在以后的教學中不斷改進．

在每一堂物理課中幾乎都涉及到實驗教學,實驗有演示實驗、學生實驗、課本小實驗、課外實驗等,但無論是哪種實驗,作為教師應該努力讓實驗盡可能操作簡單、現象明顯、可信度高．因此,我們就應該研究實驗、改進實驗、創新實驗．只有這樣,實驗教學才能達到理想的效果,也可以使得教師和學生同頻共振、教學相長．

1 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心. 物理選修3-1 [M].北京： 人民教育出版社,2012:24-27.

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