兩例趣味靜電驅(qū)動裝置設(shè)計與制作

海南省教育研究培訓(xùn)院(571100) 王理想

海南省文昌中學(xué)(571300) 林 豐

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020修訂)》必修3模塊“靜電的防止與利用”教學(xué)內(nèi)容是靜電場在生活實踐中的應(yīng)用[1]。靜電場看不見、摸不著卻客觀存在，為了讓學(xué)生直觀、感性地認識電場，利用身邊的簡易器材進行改進與創(chuàng)新，利用3D打印制作靜電驅(qū)動裝置開展教學(xué)，增強了課堂教學(xué)實驗效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的觀察、分析、合作交流等能力。

靜電驅(qū)動裝置是利用高壓靜電起電器讓尖端電極帶上大量電荷，在強電場作用下使空氣電離形成離子風(fēng)，推動火焰和包有鋁箔紙的礦泉水瓶的顯化物理現(xiàn)象方式使物理知識及原理得到直觀的解釋[2，3]。學(xué)生在特定的物理情境中經(jīng)歷觀察、探究過程，發(fā)展了科學(xué)思維[4]。

1 制作材料與方法

3D打印機、鋁箔紙、高壓靜電起電器(或用手搖起電機替代)、礦泉水瓶、蠟燭、鐵釘、開關(guān)和導(dǎo)線若干。

圖1為兩例自制的靜電驅(qū)動裝置，左側(cè)是靜電驅(qū)動火焰裝置，由支架、彎折的鐵釘、蠟燭組成；右側(cè)是靜電驅(qū)動金屬瓶裝置，由支架、包有鋁箔紙的礦泉水瓶、鐵條、圓形紐扣磁鐵等組成。鐵條作為轉(zhuǎn)軸穿過水瓶裝在支架座上。圓形紐扣磁鐵放在支架上吸引鐵條，用于減小轉(zhuǎn)動中的摩擦阻力。用鋁箔紙制作兩個鋸齒形導(dǎo)電極兩側(cè)放置，側(cè)對金屬瓶。

圖1 靜電驅(qū)動裝置

2 實驗步驟及現(xiàn)象

2.1 靜電驅(qū)動火焰實驗

通電前點燃蠟燭，觀察到蠟燭的火焰呈豎直狀(見圖2)。閉合高壓靜電起電器的開關(guān)，可以觀察到蠟燭的火焰被尖端電極“吹動”了(見圖3)。

圖2 通電前

圖3 通電后

2.2 靜電驅(qū)動金屬瓶實驗

通電前包有鋁箔紙的礦泉水瓶處于靜止?fàn)顟B(tài)(見圖4)。閉合高壓靜電起電器的開關(guān)，包有鋁箔紙的礦泉水瓶從靜止開始轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的速度越來越快(見圖5)。

圖4 通電前

圖5 通電后

3 實驗現(xiàn)象分析

高壓靜電起電機工作時，根據(jù)電荷的分布規(guī)律，大量的電荷聚集于尖端電極，使得電極周圍空間存在非常強的電場，在強電場的作用下，使空氣電離產(chǎn)生離子，發(fā)生尖端放電的現(xiàn)象。如圖6所示，在強電場的作用下，與尖端上電荷異號的離子受到吸引而趨向尖端，最后與尖端上的電荷中和。與尖端同號的離子受到電場力的作用將發(fā)生定向運動而形成離子風(fēng)，蠟燭火焰的偏斜就是受到這種離子流形成的“電風(fēng)”吹動的結(jié)果。尖端須對準(zhǔn)燭焰并將燭焰置于距離尖端2～5 cm處，實驗效果明顯。

圖6 火焰被吹動示意圖

如圖7所示，高壓靜電起電機工作時，兩鋸齒形導(dǎo)電極就會產(chǎn)生尖端放電，形成電風(fēng)吹動包有鋁箔紙的瓶子旋轉(zhuǎn)。同時有部分與尖端同號的電荷附著在包有鋁箔紙的瓶子的表面上，同種電荷的排斥作用也會產(chǎn)生力矩旋轉(zhuǎn)，很快轉(zhuǎn)子表面的電荷又受到對面電極尖端所帶異種電荷的吸引，吸引的同時包有鋁箔紙的瓶子表面的電荷迅速被中和繼而又帶上與該電極尖端同號的電荷繼續(xù)受到排斥作用，如此往復(fù)，包有鋁箔紙的瓶子就高速旋轉(zhuǎn)起來[5]。

圖7 礦泉水瓶轉(zhuǎn)動示意圖

生活中的電子打火裝置、避雷針、工業(yè)煙囪除塵裝置都是運用了尖端放電的原理。

自制的兩例趣味靜電驅(qū)動器裝置，實驗現(xiàn)象明顯，演示效果直觀、生動。靜電驅(qū)動裝置呈現(xiàn)直觀的物理情境，使學(xué)生產(chǎn)生認知沖突，有效地激發(fā)了學(xué)生探究的欲望。學(xué)生基于事實經(jīng)驗，利用所學(xué)的靜電場知識，完成物理模型建構(gòu)，采用演繹推理的方法進行了科學(xué)推理和科學(xué)論證，對實驗現(xiàn)象做出科學(xué)合理的解釋。這一過程學(xué)生自主構(gòu)建新的認知和物理規(guī)律，形成物理觀念，科學(xué)思維能力得到有效提升。

兩例靜電驅(qū)動裝置使用3D打印機制作支架，如果沒有3D打印機，演示儀器所用的支架也可以用日常的物品代替，同時高壓靜電起電器可以用實驗室里常見的手搖起電機替代，這樣以來，實驗教具制作簡單，取材方便，性價比較高。