静电除尘装置的制作与原理

2018-12-06 02:48:52 新高考·高一物理2018年7期

魏小亮

新课程的基本理念要求学生具有综合运用所学知识,提出、分析和解决问题的能力.现实世界是物理学的根源,是物理教学的起点和归宿,因此物理问题就不应局限于传统的习题,在生活、生产和科研活动中能够接触到并获得真实体验的现象和事实,都可以作为问题引入到物理学习中来,这类问题称为原始物理问题.

一、立足生活,发现问题

近年来,每逢秋冬,雾霾天气肆虐全国大部分地区,一些城市的空气质量指数(AQI)频频“爆表”.到底什么是雾霾?它对我们的生产和生活又会产生哪些不利的影响呢?雾霾的来源多种多样,主要可分为两大类:首先是人为因素,包括汽车尾气、工业排放、建筑扬尘、垃圾焚烧等;其次是自然因素,例如火山喷发等.其中,90%的雾霾直接来自于人类的经济社会活动.雾霾天气是一种大气污染状态,即大气中的各种悬浮颗粒物含量超过一定限度,使能见度降低,极容易引发交通阻塞和交通事故.雾、霾造成了空气质量的下降,还会使生态环境不断恶化,不仅对动植物的生长产生不利的影响.更为严重的是,长期的雾霾天气,直接危害了人类的身体和心理健康.因此,空气污染问题被越来越多的人所关注,防霾和治霾工作也变得刻不容缓.

“减少污染源,削减大气污染源是解决雾霾的根本之道.”中国科学院大气物理研究所研究员王庚辰说.静电除尘作为火力发电、化工、冶金等诸多生产领域的主要除尘手段,能有效地从源头上减少粉尘等污染物向大气的直接排放,并具有运行可靠、维护方便以及能耗低等优点,展现了广阔的发展前景.

二、动手操作,解决问题

伟大的物理学家麦克斯韦曾说过:一项实验,使用的材料越简单,越生活化,学生就越想透彻地了解实验中所隐藏的奥秘.为了对静电除尘装置的构造及原理有更加直观的认识,我们可以运用身边随手可得的器材设计实验来模拟静电除尘的过程,并在动手中体会物理学习的乐趣和养成自主探究的能力.

实验:不冒烟的烟囱

实验器材:开口的玻璃圆筒、铜丝、橡胶块、硬纸板、电子感应圈、带鳄鱼夹的导线.

实验操作:将开口的玻璃圆筒看作工厂里高耸的烟囱,在“烟囱”的上端用中央带孔的硬纸板盖住,取一段直铜丝穿过小孔并使其大致位于“烟囱”的轴线上.另截取一根长铜丝在“烟囱”的外表面等间隔的环绕数匝,用带鳄鱼夹的导线将两根铜丝分别接至电子感应圈的正、负两极(如图1所示).点燃橡胶块,置于“烟囱”之中,待烟尘充满“烟囱”后,开启电子感应圈并不断增大电压,仔细观察实验现象.

“咦,原本充满整个‘烟囱的烟雾怎么在顷刻间就消失了呢?”带着疑问,笔者将硬纸板剪成条状搭在“煙囱”上端(如图2所示).再次开启感应圈,我们可以发现,尽管燃烧的橡胶块一直在冒烟,但却看不见有烟从“烟囱”里冒出来.一段时间后,再仔细观察,原本干干净净的“烟囱”内壁上出现了斑斑点点的灰尘.

精彩的动手实验犹如一味良药的“引子”,它能调动我们的积极性,逐步加深对物理现象的认识,激发对现象背后的本质进行探究的欲望,让学习渐人佳境.

三、追根究底,进行反思

实验过程是对物理现象的初步感知过程,要想知其然并知其所以然,我们还需结合自身所学的物理知识去研究隐藏在现象背后的物理规律,以“动”促“思”,让具体的形象思维逐步地升华为抽象的逻辑思维.

在实验中,位于“烟囱”轴线上和外表面的两根铜丝接到电子感应圈的两个电极上,开启感应圈,在两个铜丝间就会产生一个高压的静电场,含有粉尘颗粒的气体通过高压电场时,原本气体中的自由离子在电场力作用下加速,获得较大的速度和动能.加速后的离子再撞击气体中的中性原子,使中性原子失去部分电子而变成离子,由于连锁反应,气体中运动的电子和离子数会迅速增加.电子在运动的过程中遇到粉尘颗粒,就会吸附在颗粒的表面,在强电场作用下,这些粉尘颗粒会被收集到“烟囱”的内壁.

陶行知先生认为:“生活即教育.”在平时学习中,我们需练就一双慧眼,在生活中不断地发现一些真问题来唤醒自己的思维,激发主动探究和解决问题的热情,并在真实的实验情境中去追寻现象背后的物理本质,从而提升自己分析和研究真问题的能力.