靜電除塵裝置的制作與原理

魏小亮

新課程的基本理念要求學(xué)生具有綜合運用所學(xué)知識，提出、分析和解決問題的能力?，F(xiàn)實世界是物理學(xué)的根源，是物理教學(xué)的起點和歸宿，因此物理問題就不應(yīng)局限于傳統(tǒng)的習(xí)題，在生活、生產(chǎn)和科研活動中能夠接觸到并獲得真實體驗的現(xiàn)象和事實，都可以作為問題引入到物理學(xué)習(xí)中來，這類問題稱為原始物理問題。

一、立足生活，發(fā)現(xiàn)問題

近年來，每逢秋冬，霧霾天氣肆虐全國大部分地區(qū)，一些城市的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）頻頻“爆表到底什么是霧霾？它對我們的生產(chǎn)和生活又會產(chǎn)生哪些不利的影響呢？霧霾的來源多種多樣，主要可分為兩大類：首先是人為因素，包括汽車尾氣、工業(yè)排放、建筑揚塵、垃圾焚燒等；其次是自然因素，例如火山噴發(fā)等。其中，90%的霧霾直接來自于人類的經(jīng)濟社會活動。霧霾天氣是一種大氣污染狀態(tài)，即大氣中的各種懸浮顆粒物含量超過一定限度，使能見度降低，極容易引發(fā)交通阻塞和交通事故。霧、霾造成了空氣質(zhì)量的下降，還會使生態(tài)環(huán)境不斷惡化，不僅對動植物的生長產(chǎn)生不利的影響。更為嚴(yán)重的是，長期的霧霾天氣，直接危害了人類的身體和心理健康。因此，空氣污染問題被越來越多的人所關(guān)注，防霾和治霾工作也變得刻不容緩。

“減少污染源，削減大氣污染源是解決霧霾的根本之道。”中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員王庚辰說。靜電除塵作為火力發(fā)電、化工、冶金等諸多生產(chǎn)領(lǐng)域的主要除塵手段，能有效地從源頭上減少粉塵等污染物向大氣的直接排放，并具有運行可靠、維護方便以及能耗低等優(yōu)點，展現(xiàn)了廣闊的發(fā)展前景。

二、動手操作，解決問題

偉大的物理學(xué)家麥克斯韋曾說過：一項實驗，使用的材料越簡單，越生活化，學(xué)生就越想透徹地了解實驗中所隱藏的奧秘。為了對靜電除塵裝置的構(gòu)造及原理有更加直觀的認識，我們可以運用身邊隨手可得的器材設(shè)計實驗來模擬靜電除塵的過程，并在動手中體會物理學(xué)習(xí)的樂趣和養(yǎng)成自主探究的能力。

實驗：不冒煙的煙囪

實驗器材：開口的玻璃圓筒、銅絲、橡膠塊、硬紙板、電子感應(yīng)圈、帶鱷魚夾的導(dǎo)線。

實驗操作：將開口的玻璃圓筒看作工廠里高聳的煙囪，在“煙囪”的上端用中央帶孔的硬紙板蓋住，取一段直銅絲穿過小孔并使其大致位于“煙囪”的軸線上。另截取一根長銅絲在“煙囪”的外表面等間隔的環(huán)繞數(shù)匝，用帶鱷魚夾的導(dǎo)線將兩根銅絲分別接至電子感應(yīng)圈的正、負兩極（如圖1所示）。點燃橡膠塊，置于“煙函”之中，待煙塵充滿“煙囪”后，開啟電子感應(yīng)圈并不斷增大電壓，仔細觀察實驗現(xiàn)象。

“咦，原本充滿整個‘煙囪的煙霧怎么在頃刻間就消失了呢？”帶著疑問，筆者將硬紙板剪成條狀搭在“煙囪”上端（如圖2所示）。再次開啟感應(yīng)圈，我們可以發(fā)現(xiàn)，盡管燃燒的橡膠塊一直在冒煙，但卻看不見有煙從“煙囪”里冒出來。一段時間后，再仔細觀察，原本干干凈凈的“煙囪”內(nèi)壁上出現(xiàn)了斑斑點點的灰塵。

精彩的動手實驗猶如一味良藥的“引子”，它能調(diào)動我們的積極性，逐步加深對物理現(xiàn)象的認識，激發(fā)對現(xiàn)象背后的本質(zhì)進行探究的欲望，讓學(xué)習(xí)漸入佳境。

三、追根究底，進行反思

實驗過程是對物理現(xiàn)象的初步感知過程，要想知其然并知其所以然，我們還需結(jié)合自身所學(xué)的物理知識去研究隱藏在現(xiàn)象背后的物理規(guī)律，以“動”促“思”，讓具體的形象思維逐步地升華為抽象的邏輯思維。

在實驗中，位于“煙囪”軸線上和外表面的兩根銅絲接到電子感應(yīng)圈的兩個電極上，開啟感應(yīng)圈，在兩個銅絲間就會產(chǎn)生一個高壓的靜電場，含有粉塵顆粒的氣體通過高壓電場時，原本氣體中的自由離子在電場力作用下加速，獲得較大的速度和動能。加速后的離子再撞擊氣體中的中性原子，使中性原子失去部分電子而變成離子，由于連鎖反應(yīng)，氣體中運動的電子和離子數(shù)會迅速增加。電子在運動的過程中遇到粉塵顆粒，就會吸附在顆粒的表面，在強電場作用下，這些粉塵顆粒會被收集到“煙囪”的內(nèi)壁。

陶行知先生認為：“生活即教育?！痹谄綍r學(xué)習(xí)中，我們需練就一雙慧眼，在生活中不斷地發(fā)現(xiàn)一些真問題來喚醒自己的思維，激發(fā)主動探究和解決問題的熱情，并在真實的實驗情境中去追尋現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)，從而提升自己分析和研究真問題的能力。endprint