自組裝摩擦納米發(fā)電機實驗儀

徐冰艷 蘇煬 徐嘉君 楊曉梅

摘? ?要：立足于中學物理實驗，以摩擦納米發(fā)電機為載體自組裝實驗儀，將二極管、三極管、整流器等電學元件進行組裝，設(shè)置三個板塊分別展示交流電演示實驗、傳感器實驗、摩擦充電實驗。通過對實驗的操作和實驗現(xiàn)象的觀察，提高學生的科學思維和實驗技能，為中學教師進行摩擦起電、交變電流、電容器充放電、傳感器等內(nèi)容的教學提供創(chuàng)新教具和思路。

關(guān)鍵詞：自制教具；摩擦起電；交流電演示；電容器充放電

高中物理“電荷”小節(jié)的課標要求是“通過實驗，了解靜電現(xiàn)象[ 1 ]”。摩擦起電是中學電學的開端，且因為其對摩擦界面的高度靈敏性而被廣泛研究[ 2 ]，但由于教具匱乏等原因，學生對摩擦起電缺乏足夠認識。本實驗儀設(shè)置三個實驗板塊讓學生直觀地看到摩擦起電現(xiàn)象，體會科學研究方法，并基于所涉及的電學元件特性和原理，為相對應(yīng)內(nèi)容的教學提供創(chuàng)新思路和視角。

1? 實驗儀原理及設(shè)計

1.1? 摩擦納米發(fā)電機發(fā)電原理

本實驗儀制作摩擦納米發(fā)電機的材料有：銅箔，聚四氟乙烯薄膜和PET薄膜各一片，薄底板兩塊，導線兩根。將銅箔在聚四氟乙烯薄膜、PET薄膜表粘黏并連接導線，如圖1。

摩擦納米發(fā)電機的核心原理是摩擦起電，利用納米材料（聚四氟乙烯薄膜和PET薄膜）大幅度提高摩擦起電效應(yīng)。聚四氟乙烯薄膜和PET薄膜分別是易得電子、易失電子材料。當兩者正向摩擦時，聚四氟乙烯薄膜得到PET薄膜失去的電子，兩者分別帶上正負電，分別在薄膜表面安裝銅箔作為電極并用導線相連，電子通過電極沿著導線定向移動在外電路形成電流，隨后達到靜電平衡；當兩者反方向摩擦時，電極上的電子將會反向移動以保持靜電平衡，從而形成反向電流，于是在外電路中形成方向周期性變化的交流電[ 3 ]。

1.2? 實驗儀元件

1.3? 實驗儀裝置圖

本實驗儀分為三個模塊，即用三塊單獨的泡沫板分別展示三個實驗，再將其用可活動的合頁粘貼，讓實驗儀既可以平鋪成一整塊實驗板如圖2，又可以組合成三棱柱形狀。同時在板下放置一個可旋轉(zhuǎn)托盤，使其可以靈活旋轉(zhuǎn)如圖3。

2 實驗儀的使用

2.1? 實驗1：交流電演示實驗

2.1.1? 實驗原理

發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦裕由险螂妷汉蟛艜l(fā)光；摩擦起電產(chǎn)生的是交流電，即外電路中電流方向正負交替；將兩片發(fā)光二極管燈片（由若干發(fā)光二極管串聯(lián)并固定組成）首尾相連并分別與摩擦納米發(fā)電機串聯(lián)構(gòu)成回路，電路圖如圖4。

2.1.2? 實驗現(xiàn)象

閉合開關(guān)，摩擦兩塊薄膜板時兩片發(fā)光二極管燈片交替發(fā)光如圖5。

2.1.3? 實驗過程

（1）檢查實驗1電路后閉合開關(guān)，摩擦兩塊薄膜板，觀察實驗現(xiàn)象；

（2）實驗結(jié)束后對發(fā)電機進行安全放電。

2.2? 實驗2：傳感器實驗

2.2.1實驗原理

摩擦起電具有高壓低流的輸出特性，據(jù)此可制作傳感器[ 4 ]，三極管有放大微小電流的作用，將三極管B端和E端相連構(gòu)成二級放大電路，剩余的B、E端和摩擦納米發(fā)電機串聯(lián)成一個分路，C、E端分別接入直流電源的正負極，并與LED燈帶串聯(lián)形成另一個分路，達到利用三極管以摩擦納米發(fā)電機產(chǎn)生的小電流控制直流電源大電流的效果，實驗時摩擦納米發(fā)電機相當于一個傳感器，電路圖如圖6。

2.2.2實驗過程

（1）檢查實驗2電路后閉合開關(guān)S1、S2，摩擦兩塊薄膜板，觀察實驗現(xiàn)象；

（2）實驗結(jié)束后對發(fā)電機進行安全放電。

2.2.3實驗現(xiàn)象

閉合開關(guān)，摩擦兩塊發(fā)電機薄膜板時LED燈帶閃爍且亮度很高如圖7，體現(xiàn)了摩擦納米發(fā)電機作為傳感器的靈敏。

2.3? 實驗3：摩擦充電實驗

2.3.1實驗原理

整流器能將交流電輸出為直流電。通過整流器將交流電轉(zhuǎn)化為直流電給電容器充電后對LED燈帶放電，將整流器、電容器及發(fā)光二極管燈帶并聯(lián)構(gòu)成回路，電路圖如圖8。

2.3.2實驗過程

（1）檢查實驗3電路后閉合開關(guān)S1，摩擦兩塊薄膜板，給電容充電；

（2）數(shù)次摩擦后，斷開開關(guān)S1，閉合開關(guān)S2讓電容放電，觀察實驗現(xiàn)象；

（3）實驗結(jié)束后對發(fā)電機進行安全放電。

2.3.3實驗現(xiàn)象

在數(shù)次摩擦兩片薄膜板后閉合開關(guān)S2，LED燈帶瞬間亮起后熄滅如圖9。

3? 中學物理教學應(yīng)用

以上三個實驗均可作為引入或探究實驗在教學“摩擦起電”和“靜電的防止與利用”時應(yīng)用，如通過實驗1引入新課，提出“為何摩擦兩塊薄膜板，發(fā)光二級管燈片就會發(fā)光？”等問題來驅(qū)動學生思考，提高課堂的趣味性；實驗2或3作為探究實驗，讓學生感受摩擦產(chǎn)電能的大小、體會靜電應(yīng)用例子，提高學生探究物理現(xiàn)象的主觀能動性，促進其深度學習。

在“能源與可持續(xù)發(fā)展”一節(jié)中三個實驗也可以作為能源利用與發(fā)展的典型案例，讓學生感知科技和時代進步下的生活便利，提高學生節(jié)約現(xiàn)有能源、探索其他能源的意識，培養(yǎng)學生的科學精神和對未來社會科技發(fā)展的責任感。

在進行本實驗中涉及的電學元件特性教學時，也可借助本實驗儀進行輔助教學，如展示發(fā)光二級管的單向?qū)щ娦?、驗證三極管放大微小電流的作用等。加深學生對常用電學元件的了解，在教學中滲透科學的本質(zhì)。

此外，三個實驗還能單獨地應(yīng)用在不同教學情境中：（1）在“交變電流”一節(jié)中通過實驗1發(fā)光二極管燈片的交替閃爍，直觀地向?qū)W生展示交流電方向周期性變化的特性。（2）在“認識傳感器”一節(jié)中引入實驗2作為傳感器的例子，讓學生初步了解傳感器的概念與作用。（3）在“電容器的電容”一節(jié)中通過實驗3讓學生觀察電容器充、放電現(xiàn)象。

4? 實驗儀的創(chuàng)新點

（1）教學目的上，本實驗儀將摩擦納米發(fā)電機引入課堂，加深學生對摩擦起電的理解，體會生活中利用靜電的例子，從而提高學生的知識層次，培養(yǎng)學生實驗操作的高階思維。

（2）原理及形態(tài)上，本實驗儀將摩擦起電和二極管、三極管、整流器等微電子元件相結(jié)合，根據(jù)其不同的原理構(gòu)建了三個電學實驗，組裝形成了一個綜合性的電學實驗儀，并具有兩個形態(tài)：自組裝平鋪形態(tài)和可旋轉(zhuǎn)形態(tài)。平鋪形態(tài)便于學生對儀器和實驗現(xiàn)象的整體觀察及對比，而可旋轉(zhuǎn)形態(tài)則便于儀器的攜帶和單獨進行分實驗的操作與觀察。

（3）教學應(yīng)用上，本自組裝實驗儀整體可應(yīng)用于靜電和能源發(fā)展方面的教學，分實驗能分別應(yīng)用于不同的教學情境；并且相關(guān)電學元件特性也能借助本實驗儀輔助教學，真正實現(xiàn)了一儀多用，滿足了中學物理教學情境多樣化的需求。

5? 結(jié)束語

本文闡述了自組裝摩擦納米發(fā)電機實驗儀的原理、構(gòu)造、使用方法以及在中學物理教學中的應(yīng)用，完成了三個電學實驗。教師可根據(jù)教學需求，利用該實驗儀在課堂中有針對性地進行演示或探究實驗，對學生進行科學思維的培養(yǎng)和方法的指導，引導學生理解物理學本質(zhì)，增強科學探究能力和解決實際問題的能力，從而促進學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S]．北京：人民教育出版社，2020.

［2］ 張立強，馮雁歌，李小娟，等.鋼-聚四氟乙烯摩擦界面的摩擦起電行為[J].摩擦學學報，2021，41（6）：983-994.

［3］ 石麟. 高性能摩擦納米發(fā)電機的設(shè)計構(gòu)筑及其能量收集應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學，2021.

［4］ 韓陽，黃河，趙世昌，等.基于摩擦納米發(fā)電機的氣體流量傳感器[J].微納電子技術(shù)，2021，58（9）：804-811，850.