多功能靜電實(shí)驗(yàn)箱的制作與使用效果分析

霍金勝

1 問(wèn)題的提出

1.1 靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)不成功的原因分析

中學(xué)物理教學(xué)中，靜電學(xué)的實(shí)驗(yàn)是一個(gè)不易做成功的實(shí)驗(yàn)。有時(shí)教師在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，效果很好，可是到了教室做實(shí)驗(yàn)時(shí)，卻失敗了。這是因?yàn)殪o電學(xué)實(shí)驗(yàn)要求在空氣比較干燥的環(huán)境中進(jìn)行，空氣相對(duì)濕度較高，在靜電學(xué)儀器絕緣體上就會(huì)形成一層水膜，這層水膜會(huì)把儀器所帶的電荷導(dǎo)走，導(dǎo)致靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)失敗。

教室里有很多學(xué)生，每個(gè)學(xué)生在呼吸時(shí)都會(huì)呼出水汽，因此，教室是一個(gè)空氣濕度相對(duì)比較高的場(chǎng)所。在教室進(jìn)行靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)，成功率很低。

1.2 靜電實(shí)驗(yàn)加熱烘箱

為了做好實(shí)驗(yàn)，就要降低實(shí)驗(yàn)環(huán)境的相對(duì)濕度。在絕對(duì)濕度不變時(shí)，相對(duì)濕度與空氣的溫度有關(guān)。如果給箱子加熱，里面的空氣絕對(duì)濕度是不變的，查空氣飽合氣壓表，溫度每升高10℃，空氣的飽合氣壓近似升高到原來(lái)的兩倍。如果原來(lái)溫度下空氣相對(duì)濕度是100%，溫度升高10℃，那么空氣相對(duì)濕度近似降為原來(lái)的一半。

根據(jù)此原理，筆者設(shè)計(jì)了靜電實(shí)驗(yàn)加熱烘箱。在一個(gè)箱子中，安裝遠(yuǎn)紅外加熱器，實(shí)驗(yàn)前把教學(xué)儀器放入烘箱內(nèi)升高其溫度，在教室做實(shí)驗(yàn)時(shí)再取出，這就解決了靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)中空氣濕度相對(duì)大的問(wèn)題。但此方法也存在著缺點(diǎn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)儀器從靜電實(shí)驗(yàn)加熱烘箱中取出后，溫度就會(huì)降低，大約經(jīng)過(guò)10 min，溫度就降低到加熱前溫度。因此，通過(guò)加熱儀器的方法，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間較短，如果需要長(zhǎng)時(shí)間做實(shí)驗(yàn)，又得重新加熱，給實(shí)驗(yàn)操作帶來(lái)不便。

2 功能靜電實(shí)驗(yàn)箱

為了解決靜電加熱烘箱的不足，筆者設(shè)計(jì)了多功能靜電實(shí)驗(yàn)箱。該實(shí)驗(yàn)箱的特點(diǎn)是：在實(shí)驗(yàn)箱后面有一個(gè)教師操作窗口，教師可以通過(guò)該窗口方便地在箱子中做靜電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)箱中安裝有大功率白熾燈，實(shí)驗(yàn)時(shí)可持續(xù)加熱。

實(shí)驗(yàn)箱由箱體、加熱器、學(xué)生觀察窗口、電路及開(kāi)關(guān)、自動(dòng)控溫開(kāi)關(guān)等組成，如圖l所示。

3 多功能靜電實(shí)驗(yàn)箱制作

3.1 箱體

箱體大小要求能完成一般靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的箱體高為500 mm，長(zhǎng)為700 mill，寬為400 mm。

箱體連接處用從建材市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的貨架連接條。箱體面板用三合板，或者用薄鐵皮制做。要求箱體有一定的強(qiáng)度，但比較輕便。

3.2 學(xué)生觀察窗口

在箱體的前面是學(xué)生觀察窗口，用有機(jī)玻璃或者透明的厚塑料制作。

3.3 教師操作窗口

教師操作窗口在箱體后面，要求能阻擋空氣的流動(dòng)，又便于教師把手伸進(jìn)箱體中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。窗口用5cm左右寬的布條，相互重疊1cm，布條上端固定在箱體上邊緣，布條下端能自由活動(dòng)。經(jīng)過(guò)對(duì)比，用較厚的絨布做效果較好，既有一定的重量，又較柔軟，方便活動(dòng)。

3.4 加熱照明燈

在箱體的頂部，安裝一個(gè)遮光板，遮光板長(zhǎng)度與箱體長(zhǎng)度相同，兩邊彎曲10 cm左右，要求遮光板能把燈泡發(fā)出的光擋在板內(nèi)，避免光線射出影響觀察效果。遮光板要用反光效果好的鍍鋅鐵皮制作，能較好地反射燈泡發(fā)出的光與紅外線。遮光板上等距安裝兩個(gè)200 W的燈泡，作為照明。

3.5 溫控器的安裝

加熱燈一個(gè)直接接在電源上，另一個(gè)通過(guò)溫控器控制。溫控器使用市售的控制范圍為O～50℃的簡(jiǎn)易溫控器。將溫控器安裝在箱體的側(cè)面，使用時(shí)將溫度調(diào)節(jié)到比環(huán)境溫度高10℃左右即可。實(shí)驗(yàn)時(shí)接上電源，兩個(gè)燈泡立即發(fā)光，經(jīng)過(guò)4 min后，箱內(nèi)溫度上升5℃，即可以開(kāi)始做實(shí)驗(yàn)。大約經(jīng)過(guò)10 min后，箱內(nèi)溫度可以上升10℃，此時(shí)溫控器開(kāi)始工作，關(guān)掉其中一盞燈，另一盞燈繼續(xù)加熱，可以將溫度控制在比環(huán)境溫度高10℃的范圍內(nèi)。

3.6 方便攜帶的把手

在箱體頂部安裝把手，同時(shí)在下面用木條加固。

3.7 教師觀察窗口

在箱體上方留一個(gè)教師觀察窗口，便于教師在實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行觀察。窗口長(zhǎng)度與遮光板長(zhǎng)度相同，寬15 cm左右，用透明有機(jī)玻璃制作。

4 實(shí)驗(yàn)箱優(yōu)點(diǎn)

4.1 加熱時(shí)間短

本儀器兩個(gè)加熱燈同時(shí)工作時(shí)，4 min就可以使溫度升高5℃，即可做實(shí)驗(yàn)，10min可以使溫度升高10℃。

4.2 加熱與實(shí)驗(yàn)?zāi)芡瑫r(shí)進(jìn)行

由于有教師操作窗口和觀察窗口，教師可以方便地把手伸進(jìn)箱中做實(shí)驗(yàn)，加熱過(guò)程與實(shí)驗(yàn)過(guò)程能夠同時(shí)進(jìn)行。

4.3 觀察效果好

由于箱中有照明裝置，實(shí)驗(yàn)環(huán)境比較明亮，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)比較方便。

4.4 便于攜帶儀器

由于儀器裝有便于攜帶的把手，在做靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)前，教師將實(shí)驗(yàn)中需要使用的各種儀器放人箱中，此時(shí)可以把該箱變成一個(gè)攜帶儀器的箱子。

5 總結(jié)

該儀器能在加熱的同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，由自動(dòng)溫控器控制溫度，便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，同時(shí)又方便教師攜帶靜電學(xué)儀器，給教師做好靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了極大的方便。該儀器是一個(gè)成本低，使用方便、使用效果好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助儀器。