靜電復印模擬實驗改進與教學活動設計

周玉芝

(北京教育學院化學系 北京 100120)

靜電復印模擬實驗改進與教學活動設計

周玉芝

(北京教育學院化學系 北京 100120)

靜電現象及其在生活和生產中的應用是中學物理的重要教學內容，其中靜電復印機原理內容是幫助學生了解靜電現象及其應用，促進用物質的微觀模型和電荷守恒定律分析靜電現象的重要教學素材，靜電復印機發明故事還是進行創新教育的好素材．因此開發出揭示靜電復印原理本質且直觀明了的實驗教具對以上教學目標達成具有重要支持價值．筆者用復印機所用墨粉和有機玻璃板進行靜電潛像的顯像，揭示了靜電復印的基本原理，拉近了靜電復印模擬實驗與真實靜電復印過程的距離，可以幫助學生更好地理解摩擦起電、靜電及其應用等知識．筆者還針對課程標準的相關要求提出了教學活動的設計建議．

靜電復印 靜電潛像 實驗改進

1 研究背景

《普通高中物理課程標準》中提出：了解靜電現象及其在生活和生產中的應用；用物質的微觀模型和電荷守恒定律分析靜電現象；認識點電荷間的相 互作用規律；收集有關電磁領域重大技術發明的資料；從歷史角度認識這些技術發明對人類生活方式、社會發展所起的重要作用[1]．

而對于學生來說，要達成以上學習目標，實驗手段是必不可少的．雖然學生在日常生活中能感知靜電的存在，但因無法用視覺可見，加之還涉及電學和物質組成與結構等的知識綜合，所以很多學生感覺對靜電理解起來很困難，對靜電復印原理也是知其然而不知其所以然．

為幫助學生認識靜電復印原理， 有教師用易拉罐、粘貼紙、粉筆灰等設計了一套模擬靜電復印的實驗．該實驗盡管模擬了靜電復印過程，但粉筆灰不是靠靜電力吸附上去的，因而沒有體現靜電復印的本質[2]．

有教師利用電視機屏幕，用手在屏幕上寫字，然后在屏幕上拍打蘸有痱子粉的棉花，飛揚的痱子粉就會被吸附在屏幕上，但手寫過字的地方幾乎沒有痱子粉，從而說明靜電復印是利于靜電有選擇地吸附碳粉進行復印的[3]．

還有教師設計的是在有機玻璃板上用絲綢摩擦出字體，然后撒上木屑或面粉來顯現字形[4，5]．

以上靜電復印模擬實驗的現象比較明顯，但用痱子粉、面粉等顯影體現的是帶電體有吸引輕小物體的性質，與真實的靜電復印原理還有一點兒區別．筆者采用復印機實際所用墨粉進行靜電復印模擬實驗，該實驗可以有效地揭示靜電復印的基本原理，有利于學生理解靜電復印的過程，理解靜電學相關知識．

2 實驗方法及實驗原理

2.1 實驗材料

有機玻璃板1塊，PP塑料板1塊，絲綢1塊，復印機用墨粉(可使用從廢棄墨盒中取出的殘余墨粉)，小刷子1把．

2.2 實驗方法

(1)將有機玻璃板與地面接觸，使其表面靜電釋放．然后用小刷子蘸上墨粉，將墨粉輕撒在有機玻璃板上，然后傾斜有機玻璃板，并用刷子尖將附在板上的浮粉輕輕掃去．實驗現象是有機玻璃板上只殘留個別墨粉，墨粉與有機玻璃板之間沒有明顯的吸附作用．

(2)取相同材料的另一塊有機玻璃板，將有機玻璃板與地面接觸，使其表面靜電釋放．然后把有機玻璃板放在桌面上，用絲綢在有機玻璃板上用力擦劃一個字形，每個筆畫反復擦劃7～8次．觀察有機玻璃板面，發現有機玻璃板面上沒有肉眼可見的痕跡．

(3)用小刷子蘸上墨粉，將墨粉輕撒在有機玻璃板上，然后傾斜有機玻璃板，并用刷子尖將附在板上的浮粉輕輕掃去．這時可以看到有機玻璃板上清晰地顯現出來前面用絲綢擦劃出的字形，如圖1所示．

圖1 墨粉在有機玻璃板上顯現靜電潛影

2.3 實驗原理

當用絲綢摩擦有機玻璃板后，由于有機玻璃板相比絲綢更容易失去電子，有機玻璃板表面的一些電子轉移到絲綢上，因此有機玻璃板表面帶正電．而復印機墨粉是帶負電荷的，正負電荷相吸引，所以墨粉就吸附在有機玻璃板面被絲綢摩擦過的地方，即將靜電潛像顯現出來．

為了說明墨粉吸附在有機玻璃板上是靠正負電荷的吸引作用，可以用PP塑料板作對比實驗．當用絲綢摩擦PP塑料板后，根據摩擦起電順序[6]，PP塑料板表面帶負電荷．這樣，表面帶負電荷的PP塑料板就會排斥帶同種負電荷的墨粉．圖2是筆者用絲綢在PP塑料板上反復擦劃一個“2”的筆跡，然后用小刷子蘸上墨粉，將墨粉輕撒在PP塑料板上，然后用刷子將墨粉在板上反復掃幾下．可以看到，在用絲綢擦劃過的地方對墨粉有排斥作用，顏色明顯淡于其他地方．

圖2 墨粉在PP塑料板上顯現靜電潛影

用墨粉顯現有機玻璃板上用絲綢摩擦出的字跡實驗和用墨粉顯現PP塑料板上用絲綢摩擦出字跡的對比實驗，以及結合墨粉與未經摩擦的有機玻璃板間不吸附的實驗，說明墨粉之所以吸附在有機玻璃表面用絲綢摩擦出的筆跡上面，是因為字跡帶正電荷，墨粉帶負電荷，正負電荷相互吸引，這樣字形就通過墨粉顯現出來．此實驗反映的就是靜電復印的基本原理．

3 教學活動設計建議

(1)認識復印機發明的意義.請學生感受把一段文字抄寫下來和用復印機復印出來的速度對比，討論現代復印機在我們的日常生活和文化傳播等方面作用，認識復印機發明的意義與價值．

(2)提出問題.文字為什么能在復印紙上顯示出來？

學生會發現文字之所以能在復印紙上顯示出來，是因為墨粉吸附在紙上，而且恰好吸附在文字的筆畫上，這樣字跡就出現了．

(3)提出問題.墨粉為什么能吸附在復印張上？

此問題是學生現階段無法回答的，他們帶著這個疑問進行上述實驗．當學生進行了用墨粉將有機玻璃板上絲綢所摩擦出的文字顯形實驗后，教師可以告訴學生墨粉帶負電荷，請學生分析墨粉將有機玻璃板上絲綢所摩擦出的文字顯形的原因．這時學生能夠分析出絲綢與有機玻璃板因摩擦起電，有機玻璃帶正電荷，因此可以吸引帶負電荷的墨粉．

為了驗證以上的分析，請學生換一塊塑料板重復上述實驗，這時學生會看到墨粉被排斥的現象．教師為學生提供摩擦起電順序表，學生會知道墨粉被排斥是因為這種塑料板與絲綢摩擦后帶負電，所以會排斥帶負電荷的墨粉．

(4)明確靜電復印原理

通過圖示明確靜電復印機的工作原理與大家做的第一個實驗的原理是相同的，即首先在一個滾筒的表面制造出帶電荷的字跡(也叫靜電潛像)，然后與帶異號電荷的墨粉相接觸，墨粉就會把靜電潛像顯現出來．接下來把形成的墨粉像與表面帶正電荷的復印紙接觸，墨粉像就轉印到復印紙上，后續再經過高溫，墨粉中的樹脂融化從而使墨粉牢固地附著在復印紙上．

(5)靜電復印機發明的啟示

學生閱讀美國發明家卡爾遜發明靜電復印機的故事，了解卡爾遜是如何利用光敏材料制造出靜電潛像，認識靜電復印技術是靜電知識的創新性應用，靜電復印機的問世也結合了其他領域的知識與技術，使學生了解一項發明創造需要運用綜合的知識與技術，還要有鍥而不舍的精神和創新的意識．

4 小結

本研究發現可以用復印機墨粉和有機玻璃板進行靜電復印模擬實驗．當用絲綢摩擦有機玻璃板后，有機玻璃板表面帶正電，復印機墨粉是帶負電荷的，正負電荷相吸引，墨粉將靜電潛像清晰地顯現出來．本實驗改進可以拉近靜電復印模擬實驗與真實靜電復印過程的距離，幫助學生更好地理解靜電及其應用．此外，如果將實驗材料拓展為PP塑料板，則所進行的對比實驗能夠幫助學生關注摩擦起電及摩擦起電順序，認識到物質表面因摩擦而帶靜電的原因是不同材料的組成與結構不同，有的材料含有易失電子的基團，在與另一種材料摩擦時就會因失去電子而顯正性，而另一種物質表面因帶有多余電子而顯負性．

本研究也設計了認識復印機原理與發明價值的教學活動，希望學生既認識到掌握基本科學原理的重要性，同時知道將科學原理用于發明創造還要有哪些思維和精神品格，培養學生對科學與創新的熱愛與追求．

1 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準.北京：人民教育出版社，2003

2 徐志琴.靜電復印的模擬演示.物理教師，2013(6): 47～48

3 王嘉年. 靜電復印. 小朋友，2003(Z1)：58～59

4 夏麗.一個非常規物理實驗引發的思考—— 模擬靜電復印. 中學物理教學參考，2012(4): 46～47

5 王立斌. 靜電潛像實驗的改進研究 . 物理教學，2014(8): 17～18

6 吳金成. 二次電子發射過程與固體材料靜電起電的理論研究：[碩士學位論文].廣州：華南理工大學，2013.25

2016-10-22)