探究膠帶“粘合力”的本質(zhì)

楊筱荻 張 萍

（北京師范大學(xué)物理系，北京 100875）

探究實驗指在學(xué)生不知道實驗結(jié)果的前提下，以教師提出的啟發(fā)性問題為指導(dǎo)，以相關(guān)的理論知識為基礎(chǔ)，通過創(chuàng)設(shè)問題情景、發(fā)現(xiàn)與表述問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計實驗、觀察記錄實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，分析和交流得出結(jié)論.很多日常生活中的物理問題都可以設(shè)計成適合學(xué)生的探究實驗，本文介紹“探究膠帶‘粘合力’的本質(zhì)”的實驗，是一個適合初中學(xué)生在完成9年級“兩種電荷”的概念學(xué)習(xí)后，進(jìn)行小組探究的實驗.

1 啟發(fā)性的問題

我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常使用膠帶粘貼紙箱，并且有“粘合力”這樣的生活用語，這個我們熟悉的“粘合力”本質(zhì)上是什么力？它與物理課程中的哪個力有關(guān)？

2 實驗中涉及的物理知識和實驗器材

自然界中只有兩種電荷，絲綢摩擦過的玻璃棒帶的正電荷，毛皮摩擦過的橡膠棒帶的負(fù)電荷；帶電體有吸引輕小物體的性質(zhì)；同性電荷相吸，異性電荷相斥.這是初中靜電學(xué)第一部分知識，也是學(xué)生學(xué)習(xí)靜電學(xué)的基礎(chǔ).實驗器材包括：一卷膠帶，剪子，紙帶（長條紙），如果是在實驗室進(jìn)行探究，還可以提供絲綢和玻璃棒，毛皮和橡膠棒.

圖1 膠帶被周圍物體吸引

3 創(chuàng)設(shè)問題情境，發(fā)現(xiàn)和表述問題

根據(jù)學(xué)生的生活經(jīng)驗創(chuàng)設(shè)問題情景.從膠帶卷軸上拉出長約20cm的膠帶，剪下來粘在桌子的邊緣，如圖1所示.先后用手指、不帶電的紙帶、筆竿等靠近膠帶，發(fā)現(xiàn)膠帶會被這些物體吸引，膠帶的光滑面（沒有膠的一面）也能粘附在周圍物體上……

由于帶電物體會吸引周圍的不帶電物體，即帶電物體和不帶電的物體間的相互作用表現(xiàn)為吸引力.提示學(xué)生在保證接近膠帶的物體不帶電的情況下（可以用手充分接觸物體使之放電），排除物體帶電吸引膠帶的可能性，重復(fù)該實驗，發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象仍然出現(xiàn).

讓學(xué)生通過觀察實驗，發(fā)現(xiàn)和表述研究問題，明確要研究的問題是：剛從卷軸上撕下的膠帶是否帶電？

4 猜想假設(shè)與實驗驗證

猜想1：如果剛從卷軸上撕下的膠帶上面帶有電荷，用不帶電的物體靠近這條膠帶時，兩者應(yīng)相互吸引.

實驗驗證1：如果剛從卷軸上撕下的膠帶上面帶有電荷，制作兩個同樣帶電的膠帶，當(dāng)使兩個帶電膠帶彼此靠近時，由于同性電荷間相互作用是斥力，兩個膠帶應(yīng)表現(xiàn)出彼此遠(yuǎn)離的現(xiàn)象.

先后從卷軸上拉出兩條同樣長的膠帶（長約20cm），由于這兩條膠帶的制作方法相同，如果它們帶有電荷，可以認(rèn)為兩膠帶上所帶有的電荷是相同的.現(xiàn)令其相互靠近，如圖2所示，觀察到兩條膠帶相互排斥.根據(jù)同性電荷相斥的物理規(guī)律可以得到結(jié)論：剛從膠帶卷上撕下的這兩條膠帶帶電，且為同性電荷.由此可以解釋圖1中的實驗現(xiàn)象：圖1中為剛從卷軸上撕下的膠帶，膠帶上帶有電荷，根據(jù)帶電體有吸引輕小物體的性質(zhì)，所以會出現(xiàn)膠帶與不帶電的物體相互吸引的實驗現(xiàn)象，則證明猜想1是正確的.

圖2 兩膠帶相互排斥

5 進(jìn)一步探究

新問題：根據(jù)電荷守恒，如果剛從卷軸上撕下的膠帶上帶有電荷，則與之電性相反的電荷在哪呢？

猜想2：兩條相互粘在一起的膠帶，分開后應(yīng)該帶異性電荷.

實驗驗證2：如圖3所示，從卷軸上拉出兩條同樣長的膠帶（長約20cm），令T膠帶的粘性面（有膠的一面）粘住B膠帶的光滑面，盡量令兩條膠帶完全重合.用手多次滑過粘在一起的膠帶，使其電量放光.迅速拉開兩條膠帶后，先用圖1所示的方法驗證兩條膠帶都帶電.然后使這兩條膠帶相互靠近，此時它們相互吸引（不同于圖2中相互排斥的實驗現(xiàn)象）.根據(jù)異性電荷相互吸引的物理規(guī)律可知，這兩條膠帶上所帶的電荷是不同的，從而證明猜想2是正確的.

圖3

學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)已經(jīng)知道使用毛皮摩擦后的橡膠棒帶負(fù)電，使用絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電，如果是在實驗室完成這個探究實驗，還可以提示學(xué)生使用帶負(fù)電橡膠棒和帶正電玻璃棒靠近兩條膠帶，觀察實驗現(xiàn)象，進(jìn)一步確定兩膠帶中的一條帶正電荷，另一條帶負(fù)電荷，再次驗證猜想2是正確的.

6 結(jié)果與討論

這個問題的科學(xué)解釋是膠帶由一層透明薄膜和表面覆蓋的粘合劑構(gòu)成，如圖4所示，T膠帶的粘性面粘在B膠帶光滑面上時，由于兩種不同的材料對電子的吸引力不同，T膠帶粘合劑原子中的電子會轉(zhuǎn)移到與其相接觸的B膠帶的薄膜上，這兩層原子分別失、得電子從而形成化學(xué)鍵，宏觀上表現(xiàn)出粘合的現(xiàn)象，所以“粘合力”在本質(zhì)上是電荷之間的相互作用的電力.迅速拉開兩條膠帶會破壞這些化學(xué)鍵，但并不是所有的電子都能夠再回到T膠帶的粘合劑中，因此導(dǎo)致B膠帶帶上多余的電子顯負(fù)電，T膠帶失去電子顯正電，且兩膠帶所帶的電荷數(shù)量相等.

圖4 膠帶“粘合力”的解釋

在教學(xué)設(shè)計中千萬不要把上述答案作為評價學(xué)生的標(biāo)準(zhǔn)答案，建議教師把這個問題設(shè)計成開放性的探究實驗，讓學(xué)生思考和討論，原本粘貼在一起的兩條膠帶被拉開后帶上了異性電荷這個現(xiàn)象，與使它們粘在一起的“粘合力”之間的關(guān)聯(lián).不同的學(xué)生可能會有不同的解釋，讓他們充分地討論，彼此質(zhì)疑，舉證相互說服，直到得出一致認(rèn)可的結(jié)論.可能學(xué)生得到的結(jié)論還比較初級，與真正的科學(xué)解釋之間還有差距，放手讓學(xué)生自己探究，學(xué)生在探究過程中的每進(jìn)一步都是有價值的，都值得鼓勵.相比直接教給學(xué)生答案，讓學(xué)生自己探究，學(xué)會自己解決問題，享受其中的樂趣是探究實驗的真正價值所在.

生活中處處有物理，讓學(xué)生細(xì)心觀察身邊的現(xiàn)象，提出問題并用學(xué)過的物理知識去分析和解釋這些現(xiàn)象，才能夠提高學(xué)生觀察、分析及解決問題的能力，在面對實際問題時，更容易靈活地運(yùn)用知識來解決問題；讓學(xué)生親歷科學(xué)家探究過程，自己得出結(jié)論，構(gòu)建對自然的認(rèn)識，才能激發(fā)并保持他們的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)終身的探索樂趣.

1 Eric Mazur.Principles ＆ Practice of Physics［M］.Addison－Wesley Professional，2014：594－597.

2 人民教育出版社.物理9年級（全1冊）［M］.北京：人民教育出版社，2013：32－33.