靜電現(xiàn)象應(yīng)用的系列創(chuàng)新實驗

程承平 徐展

摘? 要：物理是建立在實驗基礎(chǔ)上的一門學(xué)科。文章結(jié)合人教版高中物理選修3-1中“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”一課的系列實驗設(shè)計和遇到的問題，介紹高中物理創(chuàng)新實驗的設(shè)計策略與改進方法，實施實驗教學(xué)的基本原則。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實驗設(shè)計;靜電現(xiàn)象;實驗教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）12-0042-4

優(yōu)秀的實驗設(shè)計可以全面加深學(xué)生對物理知識、物理原理的理解，通過實驗充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強學(xué)生的學(xué)習(xí)記憶。“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”一課的關(guān)鍵就是做好實驗，例如帶電導(dǎo)體電荷分布的特點對于學(xué)生來說是較深奧的，通過實驗可以加深體會。下文按照課堂教學(xué)的順序?qū)Ρ竟?jié)課的實驗設(shè)計展開論述（圖片1～10展示的實驗設(shè)計對應(yīng)的十個視頻可掃描相應(yīng)二維碼觀看，1～4號二維碼如圖1所示）。

1? ? ?靜電現(xiàn)象的應(yīng)用中四類實驗的設(shè)計、改進與創(chuàng)新

1.1? ? 導(dǎo)體是等勢體的論證實驗

圖2（1）是等勢體論證實驗方案一，實驗裝置：將兩個金屬易拉罐放在靜電感應(yīng)起電機兩放電叉間靠近金屬球的位置，但不接觸起電機，用導(dǎo)線將兩個易拉罐的拉環(huán)分別與靜電計的兩極相連[1]。實驗操作與結(jié)論：轉(zhuǎn)動起電機的手柄，當兩易拉罐罐底靠在一起時，靜電計指針不張開，說明兩易拉罐拉環(huán)連接處電勢相等;兩易拉罐分離時，靜電計指針張開，說明拉環(huán)處電勢不相等，即可判定兩易拉罐沒有等勢的關(guān)系。注意事項及缺點分析：為使指針張開的現(xiàn)象明顯，應(yīng)注意兩易拉罐擺放方位及與感應(yīng)起電機的距離，距離太遠，電場太弱，指針幾乎不張開，距離太近，又會導(dǎo)致起電機放電，實驗效果也不好，在移動易拉罐時需特別仔細。

圖2（2）是等勢體論證實驗方案二，是在方案一的基礎(chǔ)上添加兩塊金屬板，用導(dǎo)線將兩金屬板分別接在起電機的兩個放電叉上，轉(zhuǎn)動起電機手柄讓金屬板帶電，即可在兩板間較廣闊的區(qū)域形成較強的電場。優(yōu)點：較前一設(shè)計，產(chǎn)生的場強更大，現(xiàn)象更加明顯;易拉罐可放置的空間更廣，不容易觸碰起電機和金屬板而導(dǎo)致漏電，操作方便。

1.2? ? 導(dǎo)體上的電荷分布探究實驗

圖3的設(shè)計實驗是探究導(dǎo)體電荷分布的特點。實驗裝置：用導(dǎo)線將水壺接在靜電感應(yīng)起電機的一個放電叉上。實驗操作與結(jié)論一：轉(zhuǎn)動起電機的手柄，讓水壺帶電，用帶有絕緣手柄的金屬球接觸水壺內(nèi)表面的任意一點，再去接觸靜電計金屬圓盤的一極，靜電計指針不張開，金屬球改觸水壺外表面的任意一點，靜電計指針張開，說明了“電荷只分布在導(dǎo)體外表面，導(dǎo)體內(nèi)部凈電荷為零”的第一個特點。實驗操作與結(jié)論二：轉(zhuǎn)動起電機手柄，讓水壺帶電，用兩個相同的帶有絕緣手柄的金屬球分別同時接觸如圖3乙壺肚上的A處與壺嘴上的B處，再分別去接觸兩個相同的靜電計，發(fā)現(xiàn)兩靜電計指針都張開，重復(fù)接觸A、B處多次轉(zhuǎn)移電荷到兩靜電計上，可使兩靜電計指針張角一次次增大，現(xiàn)象越來越明顯。比較兩靜電計可發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)壺嘴處的靜電計指針張角更大，說明了“導(dǎo)體尖端電荷密度大”的第二個特點。注意事項：實驗中用到的帶有絕緣手柄的金屬球是從廢舊的感應(yīng)起電機上拆下的兩個放電叉（放電叉頂部有一小一大兩金屬球）。通過實驗比較，放電叉?zhèn)鬟f電荷的效率比較高。

1.3? ? 尖端放電實驗與模擬雷擊實驗

圖4是尖端放電實驗，實驗裝置：將上、下兩金屬板接在電源（J1206型感應(yīng)線圈）的兩極上。如圖5所示，J1206型感應(yīng)線圈左側(cè)的“極性轉(zhuǎn)換”旋鈕有“+-”、“-+”、空擋，可調(diào)節(jié)兩放電針的正負極性或關(guān)閉電源，“高壓調(diào)節(jié)”旋鈕可調(diào)節(jié)電壓大小。用膠槍將一頂端為球體和一頂端尖銳的等長金屬桿固定在下金屬板上。調(diào)節(jié)“高壓調(diào)節(jié)”旋鈕慢慢增大電壓，可以看到頂端尖銳的金屬桿先出現(xiàn)電火花，即尖端放電現(xiàn)象。調(diào)節(jié)電壓增大一定量時，頂端為球體的金屬桿才出現(xiàn)放電現(xiàn)象。

圖6甲是模擬雷擊現(xiàn)象，上金屬板看作一朵帶電的云，下金屬板看作大地。放在下金屬板上的小房子有三層，最里層和最外層是薄紙板，中間夾了一層錫箔紙，錫箔紙模擬建筑墻體中的鋼筋。調(diào)節(jié)“高壓調(diào)節(jié)”旋鈕慢慢增大電壓，可以看到小房子遭遇“雷擊”，且被雷擊的主要部位是房頂?shù)膬蓚€尖角。如何挽救小房子呢？學(xué)生受尖端放電實驗的啟發(fā)，很容易想到在小房子旁邊放一尖端金屬。教師將一個高度低于房子的尖端金屬桿放在小房子旁邊，在電壓大小不變的前提下，尖端金屬桿把“雷電”引過去了，房子逃脫了厄運。但是，繼續(xù)增大電壓，房子又開始遭遇“雷擊”，如何再次挽救小房子呢？部分學(xué)生能提出換一根更長的金屬桿，這其實就是避雷針的原理。

注意事項：通常晴天空氣中正離子數(shù)多于負離子數(shù)。金屬尖端帶負電時，尖端附近有較多的正離子向尖端運動，更容易觸發(fā)尖端放電產(chǎn)生電火花，產(chǎn)生尖端放電所需的電壓更小。反之，若金屬尖端帶正電，尖端附近只有較少的負離子向尖端運動，較難觸發(fā)尖端放電，產(chǎn)生尖端放電所需的電壓更大。因此，晴天做尖端放電的實驗時，建議讓尖端帶負電，在較小的電壓下就能產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，實驗過程更安全。反之，在雷雨天氣負離子數(shù)多于正離子數(shù)，建議讓尖端帶正電。

1.4? ? 靜電屏蔽實驗

圖7是靜電屏蔽實驗設(shè)計方案一，實驗裝置：如圖7甲將懸掛在支架下的泡沫靠近靜電感應(yīng)起電機放電叉上的金屬球，先用金屬籠罩住支架。實驗操作：轉(zhuǎn)動起電機的手柄，讓起電機放電叉帶電，可以看到泡沫保持靜止。如圖7乙再將金屬籠移開，泡沫飄向放電叉。注意事項及缺點分析：為了使泡沫受到足夠大的電場力，泡沫和放電叉距離應(yīng)盡可能近，但是太近又容易使放電叉和金屬籠之間產(chǎn)生電火花，起電機漏電，特別是在移開金屬籠時容易與放電叉接觸，起電機更容易漏電，導(dǎo)致實驗失敗。

圖8是靜電屏蔽實驗設(shè)計方案二，在方案一的基礎(chǔ)上添加兩塊金屬板，用導(dǎo)線將兩金屬板分別接在起電機的兩個放電叉上，轉(zhuǎn)動起電機的手柄讓金屬板帶電，即可在兩板間較廣闊的區(qū)域形成較強的電場。優(yōu)點：較前一設(shè)計，產(chǎn)生的場強更大，現(xiàn)象比方案一明顯;懸掛泡沫的支架，金屬籠可放置或移動的位置空間更大，有效解決方案一中的問題?，F(xiàn)象規(guī)律分析：如圖8乙，實驗中發(fā)現(xiàn)，當泡沫靠近右金屬板放置，泡沫會飄向右金屬板;反之，泡沫靠近左金屬板放置，泡沫會飄向左金屬板?？紤]到這一現(xiàn)象規(guī)律，實驗操作時，可將泡沫較為明顯地靠近其中一塊金屬板，教師可提前判定實驗結(jié)果。

圖9是靜電屏蔽實驗設(shè)計方案三，實驗器材有電池版特斯拉線圈、氖泡燈、金屬網(wǎng)、透明塑料管。實驗操作：如圖9甲打開特斯拉線圈的電源開關(guān)，使其在附近產(chǎn)生電場，將氖泡燈放在旁邊，氖泡燈發(fā)光;如圖9乙，將金屬網(wǎng)放在特斯拉線圈與氖泡燈中間，氖泡燈熄滅，證明了金屬網(wǎng)的屏蔽作用;如圖9丙，用透明塑料管罩住氖泡燈，可以看到氖泡燈發(fā)光，證明塑料無屏蔽作用。實驗優(yōu)點：氖泡燈放在空中，兩腳不接線卻能發(fā)光的實驗現(xiàn)象容易吸引學(xué)生眼球，激發(fā)學(xué)生的好奇心，提高課堂效率;金屬網(wǎng)的屏蔽作用驗證了實現(xiàn)靜電屏蔽的工具不一定要用密封的金屬容器，金屬籠甚至一小片金屬網(wǎng)也能起到屏蔽作用。

受設(shè)計方案三的啟發(fā)，設(shè)計了如圖10所示的靜電屏蔽實驗設(shè)計方案四。實驗裝置：用導(dǎo)線將兩金屬板分別接在起電機的兩個放電叉上，用膠槍將氖泡燈的一腳固定在支架上，將氖泡燈放在兩金屬板正中間。如圖10甲所示，轉(zhuǎn)動起電機手柄，氖泡燈發(fā)光。如圖10乙所示，將一金屬網(wǎng)罩住氖泡燈，轉(zhuǎn)動起電機手柄，氖泡燈不發(fā)光，證明了金屬網(wǎng)的靜電屏蔽作用。

方案四實驗操作中發(fā)現(xiàn)的問題：如圖10甲多次重復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)氖泡燈有時亮有時暗，甚至有一次實驗?zāi)逝轃舨话l(fā)光。研究發(fā)現(xiàn)這與氖泡燈擺放的方位有關(guān)。將氖泡燈附近的電場近似看作勻強電場，據(jù)勻強電場中電勢差與電場強度的關(guān)系式U=Ed可知，氖泡燈的兩腳應(yīng)盡量拉開，且兩腳端點的連線與兩平行金屬板垂直，使兩腳端點的連線沿場強方向的距離d盡量大，以使氖泡燈獲得的電壓盡可能大。兩腳端點的連線與兩平行金屬板平行或接近平行時，氖泡燈則不發(fā)光。方案四是在方案三的基礎(chǔ)上將特斯拉線圈換成了靜電感應(yīng)起電機和金屬板。學(xué)生對特斯拉線圈的工作原理并不熟悉，特斯拉線圈產(chǎn)生的電場也比較復(fù)雜，通常物理實驗室也沒有特斯拉線圈。而方案四中的實驗器材更加常見，金屬板間的電場比特斯拉線圈的電場簡單，實驗原理更容易理解。

2? ? 結(jié)? ?語

2.1? ? 課前錄像，兩手準備

有些物理實驗操作簡單快捷，容易成功，可以利用“希沃傳屏”等APP在課堂上實時投屏實驗過程。也有些物理實驗操作時間長，甚至實驗容易失敗，例如《靜電場》這一節(jié)的實驗，容易受潮濕天氣的影響。教師可以做兩手準備，即課前錄制好實驗視頻，如果課上實驗不成功，那么播放實驗錄像是一種最好的補救方式。

2.2? ? 實驗的意義和策略

在物理課程學(xué)習(xí)中，要結(jié)合物理學(xué)科的特點，充分地重視實驗教學(xué)的重要性，通過實驗教學(xué)讓學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)、學(xué)會思考、學(xué)會想象、學(xué)會創(chuàng)新，培養(yǎng)觀察能力、發(fā)現(xiàn)并提出問題的能力、分析推理能力等綜合能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]王蓓.創(chuàng)新靜電演示實驗 提高學(xué)生核心素養(yǎng)——以“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”教學(xué)為例[J].物理教學(xué)，2017，39（11）：23-25.

[2]陳浩.準確定位實驗教育價值 提高實驗教學(xué)的有效性[J].中學(xué)物理，2012，30（14）：1-3.

（欄目編輯? ? 王柏廬）