試電筆教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題與思考

摘 要：初三物理課本所說，試電筆氖管發(fā)光是由于電流經(jīng)過人體流入大地，與生活中現(xiàn)象不太符合，于是經(jīng)過多次實驗探究和查閱大學(xué)物理電磁學(xué)后，得出問題的完整解釋和對教學(xué)的一些思考。

關(guān)鍵詞：試電筆 電容 孤立導(dǎo)體

在初三《家庭電路》這一課中，判斷火線和零線時，使用的是試電筆。書上說，當(dāng)試電筆筆尖接觸火線時，氖管發(fā)光，是因為電流經(jīng)過筆尖、電阻、氖管、彈簧，再經(jīng)過人體流向大地，流到零線，與電源構(gòu)成閉合電路，氖管就會發(fā)光。

課后馬上就有學(xué)生就向我提問：如果人站在干燥的椅子上，氖管會發(fā)光嗎？于是我?guī)е鴮W(xué)生做了以下實驗：1）穿著鞋站在地面上，試電筆筆尖接觸火線，手按住筆卡，觀察到氖管發(fā)光。2）站在干燥椅子上，試電筆筆尖接觸火線，手按住筆卡，觀察到氖管仍發(fā)光。

學(xué)生驚訝地提出疑問：干燥的椅子不是絕緣體嗎？為什么會有電流流過呢？

根據(jù)平行板電容公式：

可知，其他因素不變時，極板（導(dǎo)體）面積越大，電容越大，充放電能力越強，因此人的手沒有按住筆卡時，筆卡的面積很小，與大地形成的電容很小，充放電的能力很弱，氖管不發(fā)光。當(dāng)手按住筆卡時，人成為極板，人的面積大得多，與地形成的電容大得多，于是充放電能力強得多，氖管發(fā)光。但有學(xué)生提出新的疑問。

疑問1：通過氖管的電流大小，跟人與大地的距離有關(guān)嗎？

當(dāng)人手按筆卡，跳起來時，發(fā)現(xiàn)氖管的亮度并沒有減弱。當(dāng)人手按筆卡，站在更高的干燥木椅子上時，發(fā)現(xiàn)氖管的亮度沒有變化！所以通過氖管的電流大小，跟人與大地的距離無關(guān)，此現(xiàn)象不符合平行板電容公式！

恰恰形成對比的是：人與筆卡之間形成的電容，對氖管的發(fā)光影響更明顯。我將橡膠手套套在筆卡上發(fā)現(xiàn)氖管不發(fā)光。然后我又隔著橡膠手套將手指按在筆卡上，發(fā)現(xiàn)筆卡發(fā)光了，我將它折疊，當(dāng)折疊到8層時，試電筆就不發(fā)光了。這種現(xiàn)象就符合平行板電容的公式。

疑問2：通過氖管的電流大小，跟筆卡所接觸導(dǎo)體（人）的表面積有關(guān)嗎？

其他導(dǎo)體與筆卡接觸，一般不會出現(xiàn)氖管發(fā)光的現(xiàn)象，是不是由于生活中的導(dǎo)體面積遠小于人的表面積呢？下面做了這樣一個實驗：

要控制質(zhì)量不變，能方便改變表面積的材料，我想到的是錫紙。我先用一小塊錫紙做實驗：裁了一張邊長為30cm正方形錫紙并鋪開，用細繩吊起來（如圖）。細繩我用試電筆測過，不會讓氖管發(fā)光。然而這張鋪開的錫紙卻可以讓氖管發(fā)光（如圖）。再把錫紙折疊成一小塊，這樣氖管發(fā)光的亮度明顯變暗了！

為了再次確認和對比，我把5米的錫紙拉開吊起來，用試電筆筆卡接觸錫紙拍照記錄氖管亮度（如圖），用手直接接觸筆卡，拍照記錄氖管亮度，進行比較，亮度相差不大。可以說明，氖管的亮度，也就是通過氖管的電流大小跟筆卡所接觸的導(dǎo)體表面積有關(guān)，導(dǎo)體表面積越大，通過氖管的電流就越大，氖管越亮。

然后，我又查閱了大學(xué)物理電磁學(xué)[1]關(guān)于電容的概念得知，孤立的導(dǎo)體也有一定的電容，其定義為：

C=

其中q表示電量，U表示電位（電勢），那么電容的物理意義是使導(dǎo)體每升高單位電位所需的電量。如果將孤立導(dǎo)體看作是一個半徑為R的球體，那么其電位：

U= =

那么代入孤立導(dǎo)體電容定義式，就得出C=4R。說明孤立導(dǎo)體的電容只與導(dǎo)體的形狀和大小有關(guān)。

雖然，我做實驗時的導(dǎo)體不是一個球狀的，但我只改變了錫紙的形狀，第一次是張開，第二次是折成一小塊，這兩次的形狀的對比很極端，可以反映出形狀的改變，其實是帶來了表面積的變化，而帶電體在靜電平衡時的電荷分布是在導(dǎo)體的表面上的，因此不難理解電容在充電動態(tài)過程中電荷分布趨向于導(dǎo)體的表面。這樣推想而知，表面積越大的導(dǎo)體，容納電荷的本領(lǐng)就越強，因此電容就越大。

總結(jié)上述，在日常生活中，人穿著鞋，拿著試電筆測火線時，試電筆氖管發(fā)光，電流一般不會經(jīng)人體流入大地。而是因為人體就可以看作是一個孤立的導(dǎo)體，孤立的導(dǎo)體就有電容，而且人體的電勢比氖管另一端的電勢要低，所以電荷就會作周期性定向移動，從人體流進流出，從而消耗了電能，使試電筆有持續(xù)的電流通過，于是氖管發(fā)光。而一般的導(dǎo)體，表面積遠小于人體，電容就很小，就沒有足夠的電流通過氖管，因此氖管就不會發(fā)光。

到此，試電筆教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題基本解決了，但在這過程中教學(xué)的思考還意猶未盡。一方面是教材的處理，另一方面是實驗的改進。

首先講教材的處理。初三課本P37頁第四行，這是初中階段的電流定義。在P38第三行，這里講的電路中的“電流”，電流方向是不變的！在這一節(jié)的學(xué)習(xí)里，往往學(xué)生只會理解成：“閉合電路，才有電流”。由于學(xué)生知識架構(gòu)的局限，要在這一節(jié)里把電流概念一步到位講清楚也不太可能。因此，在教學(xué)中要找機會把學(xué)生腦海中的電流概念打破和再造！

在初三課本P88，圖18.1-1中，寫到“50～”表示這個電能表在頻率為50Hz的交流電路中使用。說明有些電路中的電流方向是會周期變化的，例如生活中家庭電路。這時要給學(xué)生一個完整的電流概念：電流的形成是由于電路中的電源（電壓）給了自由電荷一個方向的推動力，使電荷定向移動形成的，如果電源所給這個推動力的方向周期變化，那么電荷的定向移動方向就會周期改變，從而電流的方向也就周期改變的。

在這個教學(xué)思路下，我制作了一個可以類比電壓周期變化情況的裝置，如圖，兩個水瓶，其中一個瓶子A裝上水，用手拿高一個瓶子，由于大氣壓的作用水就會從一個瓶子A流向另一個瓶子B，同時，我慢慢抬高瓶子A，直到A中的水幾乎流完，于是把B抬高A下降，結(jié)果B中的水又流回A，這樣反復(fù)操作，水流方向就周期變化了

用這個實驗可以類比說明，只要電容足夠大，就有足夠的電流使試電筆上的氖管發(fā)光。

參考文獻

[1]趙凱華.電磁學(xué)[M].高等教育出版社，2004：153.

[2]崔元順，周淮玲.給定形狀孤立導(dǎo)體平板電容的計算[J].大學(xué)物理，1995（04）：10.

作者簡介：黎永全（1979.01-），男，本科，中教二級，研究方向：物理教育。