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)識首先要從最感性的演示實(shí)驗(yàn)人手.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)中往往會伴隨著兩個問題.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”的錯誤認(rèn)識.玻璃棒和橡膠棒只有在特定的摩擦對象——絲綢和毛皮的時候，才會帶上正、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，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，通過搖動起電機(jī)可以使得電荷源源不斷地產(chǎn)生，當(dāng)兩個金屬球放電時還伴隨著“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).可用比較常見的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)行演示時甚至能將摩擦后的吸管直接吸在門上或者黑板上而長時間不掉下來，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，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)時很難把這個實(shí)驗(yàn)移進(jìn)課堂.可若是如圖5所示，在實(shí)驗(yàn)者頭上戴一個帽子，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，激發(fā)他們對靜電現(xiàn)象的興趣.

這種實(shí)驗(yàn)的教育價值往往與儀器復(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，同時也越有效.

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計上要突出有效

靜電實(shí)驗(yàn)的設(shè)計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)，很容易會造成漏電;帶電小球太重，擺起的角度就會太小，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?，很容易因?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，由于靜電計本身的絕緣性，使得電荷能在靜電計指針上穩(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).