靜電現(xiàn)象演示儀的制作研究

湯有國

(浙江省天臺中學(xué),浙江 天臺 317200)

·物理實驗·

靜電現(xiàn)象演示儀的制作研究

湯有國

(浙江省天臺中學(xué),浙江 天臺 317200)

實驗探究是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分,物理實驗又是學(xué)生能夠高度參與的教學(xué)載體．在實驗教學(xué)的二次開發(fā)中,一方面,我們應(yīng)設(shè)計更多的空間、時間能夠讓學(xué)生參與進來;另一方面,在實驗中,我們應(yīng)讓實驗更有展示性、可操作性、本真性,這樣才能充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情;同時,結(jié)合課堂時間的有效性,實驗應(yīng)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(xiàn)象的應(yīng)用”一課的教學(xué)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(jié)合自己的教學(xué)需求與點滴經(jīng)驗提出了自我的一點看法,并制作了一個靜電現(xiàn)象演示儀．

物理實驗;實驗教學(xué);核心素養(yǎng);靜電現(xiàn)象;教學(xué)反思

1 問題的由來

物理實驗教學(xué)永遠是物理教學(xué)中核心內(nèi)容和熱點話題．在人教版選修3-1的“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”這一節(jié)當(dāng)中,靜電荷分布的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容具有抽象,講解難度大,學(xué)生相關(guān)生活經(jīng)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(nèi)外表面的分布問題,[1]以及尖端放電現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移棒,法拉第圓筒都只有實驗室里有,而且數(shù)量不多,只能教師演示,學(xué)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(xué)生可能會認(rèn)為在電荷轉(zhuǎn)移的過程中,電荷跑光了致使驗電器金屬箔不張開．

現(xiàn)象視覺沖擊偏低．

(2) 尖端放電實驗局限性.

實驗現(xiàn)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(yīng)的解釋．

實驗條件要求比較高．兩個尖端在一定的距離上發(fā)生放電現(xiàn)象;事實上,在實際操作過程中發(fā)現(xiàn),相同距離的兩個弧面間也會發(fā)生放電(主要弧面表面不夠光滑,有許多微小的尖端,但學(xué)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(xué)生很難分辨出這個現(xiàn)象．如此,尖端放電現(xiàn)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(xué)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(xiàn)象顯示儀,它不僅成功率高,現(xiàn)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(xué)生都可以自己動作制作．

2 儀器的制作

(1) 理論依據(jù).

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(xiàn)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(jié)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(gòu)造

① 準(zhǔn)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(cè)部,并保證接觸良好．

⑤ 在奶粉罐兩側(cè)和內(nèi)側(cè)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?zhí)娲魈K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(fā),塑料絲等,最后發(fā)現(xiàn),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(yīng)注意,使用的流蘇線不可太多,據(jù)我們的經(jīng)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(guān)．當(dāng)然,可能不同的環(huán)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(shù)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(xiàn)象展示.

① 當(dāng)給金屬筒帶上電荷后,我們會發(fā)現(xiàn)外側(cè)的餐巾紙盒流蘇線都張開(如圖3右側(cè)),但是內(nèi)部的餐巾紙沒有張開．這個說明在金屬導(dǎo)體上,電荷分布在外表面,內(nèi)表面沒有電荷分布．

② 在流蘇線張開的一側(cè),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(cè))．此現(xiàn)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(jù)學(xué)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(jù)實際經(jīng)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(nèi)表面不帶電,但是當(dāng)驗電器通過導(dǎo)線和金屬內(nèi)表面連接時,驗電器又會張開,如圖4所示．這個現(xiàn)象可以通過理論解釋,但是很多學(xué)生還是會將信將疑,這里可以通過實驗儀器解決學(xué)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(xiàn)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(xué)生都可以自己動作制作等優(yōu)點．但是仍有許多不足之處,特別是在實驗現(xiàn)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(tài)變化的過程,這些都需要在以后的教學(xué)中不斷改進．

在每一堂物理課中幾乎都涉及到實驗教學(xué),實驗有演示實驗、學(xué)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(yīng)該努力讓實驗盡可能操作簡單、現(xiàn)象明顯、可信度高．因此,我們就應(yīng)該研究實驗、改進實驗、創(chuàng)新實驗．只有這樣,實驗教學(xué)才能達到理想的效果,也可以使得教師和學(xué)生同頻共振、教學(xué)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(fā)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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