自制萊頓瓶在初中電學教學中的妙用

浙江省衢州市菁才中學(324000) 孟湘蓮

萊頓瓶的發(fā)明，標志著人們開始了對電的本質(zhì)和特性的研究。它為科學界提供了一種貯存電的有效的方法，對電學知識的傳播和發(fā)展起到重要作用。萊頓瓶原理簡單，制作方便，儲存電量多且時間長。自制一個萊頓瓶用于教學，能有效解決靜電實驗中儀器“電壓高易漏電，電量少經(jīng)不起漏”的難題，實驗現(xiàn)象明顯，穩(wěn)定性高，能激發(fā)學生學習的興趣，增加學生對電的直觀體驗。幫助學生建構電學概念，化解學習難點，領悟科學文化內(nèi)涵，促進學生對科學本質(zhì)的理解，增強安全用電意識。

1 萊頓瓶的原理及制作

1.1 萊頓瓶的原理

萊頓瓶實質(zhì)是一個電容器。圖1為萊頓瓶的構造：在一個玻璃瓶子的內(nèi)壁和外壁上都貼一層錫箔，成為電容器的兩個極板，內(nèi)層用金屬鏈條與伸到瓶口外的金屬桿相連，金屬桿頂端再裝上一個金屬球。當帶電體跟金屬球接觸時，帶電體上的電荷就會沿著金屬桿和鏈條傳到瓶的內(nèi)壁，電荷就能在里面保存相當長的時間。等需要時，與金屬球接觸一下，就可以把儲存的電荷放出來。

圖1 萊頓瓶及其結構示意圖

1.2 制作萊頓瓶

用錫箔紙將兩個一次性塑料杯的外壁包起來，接口處用膠帶貼合，然后將兩個杯子緊緊疊在一起。在兩杯之間裝一個錫紙環(huán)和兩根長方形錫紙條，讓它們與內(nèi)層錫紙緊貼，簡易萊頓瓶制作完畢，如圖2所示。用毛巾摩擦PVC管(或氣球)，將摩擦過的PVC管(氣球)接觸錫紙環(huán)，重復幾次，為萊頓瓶充電備用。教師根據(jù)實際情況，可以用礦泉水瓶代替圖1的玻璃瓶，瓶外貼一層錫箔，瓶內(nèi)裝滿鹽水代替錫箔，用感應起電機為萊頓瓶充電。

圖2 自制萊頓瓶及其結構示意圖

2 萊頓瓶在電學教學中的妙用

2.1 做好靜電實驗，豐富感性認知

靜電實驗“意外失敗”時有發(fā)生，帶電體處于高電壓、低電量狀態(tài)，容易通過空氣、絕緣體內(nèi)部和表面將電荷泄露，因此漏電是導致靜電實驗不穩(wěn)定的關鍵原因。萊頓瓶儲存電量較多，儲電時間長，用來完成靜電實驗成功率高，趣味性強，能幫助學生觀察靜電現(xiàn)象，認識靜電的特點及電荷間相互作用的規(guī)律。

引入新課時，將毛巾摩擦過的PVC管接觸錫紙環(huán)，學生觀察到PVC管在靠近錫紙環(huán)時，錫紙環(huán)會被吸引，多次接觸后，原本貼合的長方形錫紙條逐漸分開，且充電次數(shù)越多錫紙條張開角度越大，如圖3(a)所示。根據(jù)小學所學知識，學生能說出：錫紙環(huán)被吸引是因為摩擦后的PVC管帶了電，帶電的物體能吸引輕小物體。同時會產(chǎn)生好奇：摩擦過的毛巾會不會帶電？不帶電的物體能吸引帶電物體嗎？錫紙條為什么會分開？為什么接觸越多錫紙條張開的角度越大？

在這些問題的驅(qū)動下，進一步實驗、觀察、分析：如圖3(b)所示，將摩擦過的毛巾靠近沒充電的萊頓瓶上的錫紙條，可以發(fā)現(xiàn)錫紙條能被毛巾吸引，得出毛巾也帶了電，為學生理解摩擦起電的本質(zhì)、建構電子轉(zhuǎn)移的模型提供依據(jù)；如圖3(c)所示，用不帶電的書本靠近錫紙條，錫紙條也能被吸引，直接體驗到力的作用是相互的，深刻領悟到兩個小球相互吸引時，兩個球帶異種電荷或其中一個球帶電一個不帶電；觀察到錫紙條分開，歸納出同種電荷相互排斥的規(guī)律，為后續(xù)驗電器教學做好鋪墊。增加了學生感性認識的同時，學生提出科學問題的能力、基于事實或證據(jù)推理論證的能力，得到較好的發(fā)展。

圖3 用自制萊頓瓶做靜電實驗

2.2 歷史引探，啟迪科學思維

萊頓瓶的發(fā)明有一個有趣的故事：穆森布羅克為了尋找一種保存電的方法，他設想電如同水一樣是可以流動的流體，那么儲存水的方法應該也能儲存電。于是，他將水倒入放在絕緣體上的瓶子里，將一根導線的一端插入水中，導線的另一端則與起電器相連，結果一直失敗。有一天出于意外，他沒有把瓶子放在絕緣體上，而是拿在手里就開始充電，當他的手不小心觸碰導瓶蓋時，受到了猛烈的電擊，幾乎跌倒。隨后，穆森布羅克嘗試用各式各樣的瓶子儲電，他由此得出結論：把帶電體放在玻璃瓶內(nèi)可以把電保存下來。

在電流、電壓的概念教學時展示這一科學史，用萊頓瓶重復當年的電震實驗，讓若干名學生手牽著手圍成一圈，由第一位同學手上拿著充了電的萊頓瓶的外壁，由最后一位同學用手去摸錫紙環(huán)，瞬間就會有電震感，既刺激又有趣。實驗中，學生直觀感受人體是導體，人體為電荷的流動提供了路徑，萊頓瓶能夠為電荷的流動提供動力。在感性體驗的基礎上，引導學生將電路類比水管、電壓類比水壓、電流類比水流，學生理解建構電壓和電流的概念，對類比法理解更加透徹。

靜電計的教學，教師通常先展示靜電計，介紹其結構，告知其工作原理，然后讓學生使用靜電計檢驗靜電。這一活動中，學生被動接受，靜電計所含的物理思想、設計智慧被忽略。教師可以拋出當時科學家思考的問題：萊頓瓶里的電到底有多少？如何測量電量多少？讓學生站在科學家的視角來思考問題。當學生遇到思維障礙時，提醒學生再一次觀察圖3中兩張錫紙條張開的實驗。學生想到：同種電荷相互排斥，是不是電荷越多排斥的力越大？學生設計實驗方案，利用轉(zhuǎn)換的思想：將電荷的多少轉(zhuǎn)化為張角的大小。實驗發(fā)現(xiàn)摩擦過的PVC管與錫紙環(huán)接觸次數(shù)越多，張開的角度越大，推測出張角越大電荷越多。教師進一步展示靜電計，并介紹亨雷、卡瓦洛、貝內(nèi)特設計的靜電計，學生結合探究結果真正理解靜電計的工作原理。

基于萊頓瓶和靜電計的發(fā)明史，按照促進學生對科學本質(zhì)理解的目標開展教學。學生思考科學家曾經(jīng)思考的問題，以問題驅(qū)動學生開展實驗探究，在探究中建構電學概念，在親歷實驗探究中掌握科學方法、領悟科學思想、發(fā)展創(chuàng)造性思維。

2.3 對比分析，化解學習難點

學生通常認為干電池中儲存的是電能，教學中教師往往組織學生死記硬背：干電池中儲存的是化學能，使用過程中將化學能轉(zhuǎn)化為電能。由于學生沒有深刻認識干電池的本質(zhì)原理，一段時間后記憶消退，就會記混。在教學中，可以將自制的萊頓瓶和干電池的內(nèi)部結構(見圖4)展示出來。讓學生對比分析兩者的差異(見表1)。

圖4 干電池結構示意圖

表1 萊頓瓶和干電池的對比

通過分析表1中的內(nèi)容，結合萊頓瓶和干電池的使用方法，學生很容易發(fā)現(xiàn)萊頓瓶直接儲存電能，而干電池是儲存化學物質(zhì)，通過化學物質(zhì)之間的化學反應釋放出電能，促使學生將錯誤前概念向科學概念轉(zhuǎn)化。

2.4 模擬弧光放電，形成科學態(tài)度

將萊頓瓶充好電備用，用導線的一端接觸外層杯身的錫紙，另一端逐漸靠近內(nèi)杯的錫紙環(huán)，當距離足夠近時，可以觀察到導線尖端與錫紙環(huán)之間產(chǎn)生電火花，同時聽到“噼啪”的放電聲。學生尋找生活中類似的現(xiàn)象：雷電、插插頭的瞬間在插孔里有電火花、脫毛衣時有電火花。在解釋原因時，學生通常認為是帶電體相互接觸時放電，教學時再次讓學生觀察萊頓瓶放電實驗，發(fā)現(xiàn)放電時導線和錫紙環(huán)并沒有接觸，學生瞬間明白空氣并不是絕對不導電的，高壓電能擊穿空氣導電。“防止靜電火花帶來的災害”“不接觸低壓帶電體，不靠近高壓帶電體”等安全用電意識瞬間深入人心。