談?wù)勳o電實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)改進(jìn)

唐建勛

靜電場這一章的教學(xué)，是從認(rèn)識(shí)最基本的靜電現(xiàn)象的基礎(chǔ)上展開的，通過引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)靜電現(xiàn)象的本質(zhì)，從而深入理解和掌握電荷守恒定律。靜電現(xiàn)象并不難解釋，電荷守恒定律也不難理解，所以學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)規(guī)律時(shí)不存在太大的思維障礙，但是顯性的靜電現(xiàn)象和隱形的靜電本質(zhì)之間如何建立有效而又縝密的邏輯聯(lián)系，關(guān)系著學(xué)生物理思維的形成，所以對靜電現(xiàn)象以及電荷守恒定律的認(rèn)識(shí)首先要從最感性的演示實(shí)驗(yàn)入手。高中階段的靜電演示實(shí)驗(yàn)資源是非常豐富的，可是高中物理教材在靜電演示實(shí)驗(yàn)的選取上都較為傳統(tǒng)，甚至是拘謹(jǐn)。在此筆者提出一些關(guān)于靜電演示實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)改進(jìn)。

一、器材選取上要突破傳統(tǒng)

教學(xué)中常見的起電方式有兩種：一是摩擦起電，二是感應(yīng)起電機(jī)起電。摩擦起電所用的器材一般是玻璃棒與絲綢，橡膠棒和毛皮。這兩類起電材料是教學(xué)中常用來產(chǎn)生正電荷與負(fù)電荷的典型情況，可是在教學(xué)中往往會(huì)伴隨著兩個(gè)問題。第一是使學(xué)生產(chǎn)生“玻璃棒一定帶正電，橡膠棒一定帶負(fù)電”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。玻璃棒和橡膠棒只有在特定的摩擦對象——絲綢和毛皮的時(shí)候，才會(huì)帶上正、負(fù)電荷，但是當(dāng)它們與其他物質(zhì)摩擦，則帶什么電荷是由彼此摩擦的兩種材料的性質(zhì)所決定，這是我們在教學(xué)過程中一定要提醒學(xué)生注意的地方。第二是這兩種材料的帶電能力并不是特別強(qiáng)，尤其當(dāng)環(huán)境的空氣較為潮濕時(shí)，電荷往往很容易逃逸，這使得它們的帶電能力大大下降。手搖式感應(yīng)起電機(jī)則是實(shí)驗(yàn)室又一起電方式，通過搖動(dòng)起電機(jī)可以使得電荷源源不斷地產(chǎn)生，當(dāng)兩個(gè)金屬球放電時(shí)還伴隨著“噼里啪啦”的響聲，給人的直觀感受很強(qiáng)烈。但實(shí)際上感應(yīng)起電機(jī)的帶電能力要低于我們的想象，其產(chǎn)生的電壓大約2萬伏左右，而不起眼的摩擦起電其電壓最高值卻能達(dá)到10萬伏以上，所以手搖式感應(yīng)起電機(jī)特點(diǎn)是能持續(xù)不斷地提供電荷，但是產(chǎn)生電壓的效果“叫好不叫座”，在靜電演示實(shí)驗(yàn)中，其效果還不及摩擦起電。對于起電方式的選擇，如果從理解電荷產(chǎn)生原因的角度來看，還是用摩擦起電比較妥當(dāng)，因?yàn)樗漠a(chǎn)生原理涉及了對電荷的本質(zhì)理解，而感應(yīng)起電機(jī)的起電原理較為復(fù)雜，學(xué)生對其理解較為困難，這就使得學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)產(chǎn)生了較大的認(rèn)知負(fù)荷，不利于電荷守恒概念的凸顯。

但是對摩擦起電的實(shí)驗(yàn)器材我們卻能夠稍作改進(jìn)?？捎帽容^常見的PVC管（如圖1所示）作為起電裝置，用餐巾紙或塑料包裝紙作為摩擦物質(zhì)，其產(chǎn)生的電荷能力較強(qiáng)，管子上能夠長時(shí)間穩(wěn)定地保留較多電荷，為其他物體（如枕形導(dǎo)體、絕緣金屬球等）帶電的能力較強(qiáng)。至于PVC管的帶電種類，可以預(yù)先通過毛皮摩擦過的橡膠棒和驗(yàn)電器來進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)筆者試驗(yàn)，PVC管作為摩擦起電裝置，演示實(shí)驗(yàn)效果要好于橡膠棒和玻璃棒，更好于感應(yīng)起電機(jī)，應(yīng)該在課堂上大膽采用這一裝置。

二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上要突顯趣味

傳統(tǒng)的靜電演示實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)所呈現(xiàn)的科學(xué)性面貌占主要成分，教材中的演示實(shí)驗(yàn)往往失去了物理世界原本的趣味性，其冷冰冰、干巴巴的形象讓很多學(xué)生望而退卻。其實(shí)即使在高中階段，靜電現(xiàn)象仍然是蘊(yùn)藏豐富的教學(xué)趣味的地方，只要努力去發(fā)掘身邊可用的各種資源，我們就會(huì)有驚喜的發(fā)現(xiàn)。

1.吸引輕小物體

在演示帶電物體能吸引輕小物體的試驗(yàn)中，我們可以用普通的塑料吸管來演示。一方面因?yàn)樗芰衔懿馁|(zhì)的原因，它比橡膠棒和玻璃棒帶電能力更強(qiáng)，所以在吸引小紙屑的實(shí)驗(yàn)中效果更好。如圖2所示，用餐巾紙摩擦過的吸管能輕而易舉地吸起一大堆紙屑。另一方面，由于吸管自身質(zhì)量較小，在進(jìn)行演示時(shí)甚至能將摩擦后的吸管直接吸在門上或者黑板上而長時(shí)間不掉下來，如圖3所示。再如圖4所示，塑料吸管還可以做改變自來水流向的實(shí)驗(yàn)，效果比普通的塑料尺要好得多。上述三個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象非常明顯，對學(xué)生產(chǎn)生視覺沖擊，能吸引學(xué)生熱烈的關(guān)注，激發(fā)起學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣。

2.“怒發(fā)沖冠”實(shí)驗(yàn)一般在做“怒發(fā)沖冠”靜電實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者頭發(fā)根根豎起的現(xiàn)象，必須用到電壓極高的范式起電機(jī)，但是一般教學(xué)時(shí)很難把這個(gè)實(shí)驗(yàn)移進(jìn)課堂?？扇羰侨鐖D5所示，在實(shí)驗(yàn)者頭上戴一個(gè)帽子，帽子上粘一些塑料彩帶，做了這樣的改進(jìn)后，不需要太高的電壓也能實(shí)現(xiàn)“怒發(fā)沖冠”現(xiàn)象，將原本只能在科技館看到的趣味實(shí)驗(yàn)搬到了教室里。

3.神奇的“懸浮術(shù)”

如圖6所示，把充氣的氣球和由塑料手提袋剪出的塑料環(huán)都用棉質(zhì)毛巾反復(fù)摩擦，這樣可以使得兩者都帶上同種電荷。然后手持氣球，將塑料圓環(huán)在其上方釋放，其便會(huì)懸浮在氣球的上方，只要手持氣球控制得當(dāng)，可以使得塑料帶在上空長時(shí)間懸浮。該實(shí)驗(yàn)的選材簡單，實(shí)施簡便，而且還突破了以往靜電實(shí)驗(yàn)以“吸”為主的常規(guī)，讓同學(xué)們看到了靜電現(xiàn)象中“斥”的現(xiàn)象，學(xué)生在體驗(yàn)驚奇的同時(shí)，激發(fā)他們對靜電現(xiàn)象的興趣。

這種實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值往往與儀器復(fù)雜程度成反比，所以演示實(shí)驗(yàn)越貼近生活，越有趣味性，同時(shí)也越有效。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上要突出有效

靜電實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)不僅僅只是按照書本指示依葫蘆畫瓢，還要在很多細(xì)節(jié)處仔細(xì)推敲和改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上的一些小小的創(chuàng)新，也能促進(jìn)實(shí)驗(yàn)效果的有效優(yōu)化。

1.探究影響電荷間相互作用力的因素實(shí)驗(yàn)

教材對這個(gè)實(shí)驗(yàn)原來的描述中，正電荷的支架、吊起小球的絲線、帶電小球的材質(zhì)，都沒有作出明確的說明，實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中，這些細(xì)節(jié)正是影響實(shí)驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵因素。支架與絲線的絕緣能力要是不強(qiáng)，很容易會(huì)造成漏電；帶電小球太重，擺起的角度就會(huì)太小，很難比較出庫侖力大小與距離的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中產(chǎn)生的這些問題促使我們思考如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。于是作出了如圖7所示的改進(jìn)：

（1）正電荷的支架用蠟燭作為支撐，增強(qiáng)絕緣性能；

（2）吊起帶電小球的細(xì)線選用尼龍絲，增強(qiáng)絕緣性能；

（3）帶電小球用口香糖金屬膜包裝紙為外層，內(nèi)部裹泡沫塑料，以減輕質(zhì)量，提高庫侖力的顯現(xiàn)程度。這些改進(jìn)大大提高了實(shí)驗(yàn)的可觀察性和可持續(xù)性，實(shí)驗(yàn)效果明顯。

2.靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)教材中對靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)的描述如圖8所示，然后提出了三個(gè)問題，引入了靜電感應(yīng)和電荷守恒的概念。然而在該實(shí)驗(yàn)中，由于環(huán)境濕度的影響、枕形導(dǎo)體表面不夠光滑等等原因，要做出預(yù)想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象往往是十分困難的。于是我們可以對實(shí)驗(yàn)裝置作出如圖9所示的改進(jìn)：

（1）枕形導(dǎo)體由兩只金屬易拉罐代替。因?yàn)轱嬃瞎薇砻姹葘?shí)驗(yàn)室所提供的枕形導(dǎo)體要光滑得多，所以保留電荷的效果更好；

（2）金屬箔由靜電計(jì)來代替。圖8所示的金屬箔一方面因?yàn)槌叽巛^小，導(dǎo)致張角的顯示度不夠清晰，另一方面因?yàn)榻饘俨┞对诳諝庵校苋菀滓驗(yàn)榄h(huán)境的濕度影響導(dǎo)致漏電，張角變小。而采用了靜電計(jì)后，這些問題都得到了解決，一方面張角的變化更加明顯，便于學(xué)生觀察，另一方面，由于靜電計(jì)本身的絕緣性，使得電荷能在靜電計(jì)指針上穩(wěn)定地保留。

高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)中重點(diǎn)提出如下能力要求：提出物理問題，形成猜想和假設(shè)，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋，以及對實(shí)驗(yàn)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力。優(yōu)化改進(jìn)常規(guī)靜電演示實(shí)驗(yàn)，不但提高了課堂教學(xué)效果，更是在潛移默化中提升了學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)。endprint