静电现象演示仪的制作研究

汤有国

(浙江省天台中学,浙江 天台 317200)

·物理实验·

静电现象演示仪的制作研究

汤有国

(浙江省天台中学,浙江 天台 317200)

实验探究是物理核心素养的重要组成部分,物理实验又是学生能够高度参与的教学载体．在实验教学的二次开发中,一方面,我们应设计更多的空间、时间能够让学生参与进来;另一方面,在实验中,我们应让实验更有展示性、可操作性、本真性,这样才能充分激发学生学习的热情;同时,结合课堂时间的有效性,实验应具有易操作,易成功的特点．笔者作为一线教师,在人教版选修3-1的“静电现象的应用”一课的教学过程中,课文中的演示实验在实际操作中碰到很多困难,基于此,笔者结合自己的教学需求与点滴经验提出了自我的一点看法,并制作了一个静电现象演示仪．

物理实验;实验教学;核心素养;静电现象;教学反思

1 问题的由来

物理实验教学永远是物理教学中核心内容和热点话题．在人教版选修3-1的“静电现象的应用”这一节当中,静电荷分布的相关教学内容具有抽象,讲解难度大,学生相关生活经验少,理解难度高的特点．尽管课本中的法拉第圆筒实验在一定程度上能说明静电荷在内外表面的分布问题,[1]以及尖端放电现象能说明尖端的电荷分布比较密集的特点;但是两个实验都存在着比较大的局限性．

(1) 法拉第圆筒实验的局限性.

成功率低:在天气相对潮湿的南方,电荷损失比较大,在电荷转移的过程中,电荷损失又会比较多,所以在检验圆筒外表面电荷的时候,动作必须迅速,电荷稍纵即逝,成功率比较低．

实验不具有普遍性,体验性不强:验电器,电荷转移棒,法拉第圆筒都只有实验室里有,而且数量不多,只能教师演示,学生无法有直接的体验,自己制作这些取材不便,制作难度也较大．

可信度偏低:在实验中,学生可能会认为在电荷转移的过程中,电荷跑光了致使验电器金属箔不张开．

现象视觉冲击偏低．

(2) 尖端放电实验局限性.

实验现象具有震撼性,但是过于单一,电荷分布特点不突出．尖端放电只能说明尖端的电荷比较多,比较密集;对于平缓处的电荷是否有电荷,电荷分布怎么样,则得不到对应的解释．

实验条件要求比较高．两个尖端在一定的距离上发生放电现象;事实上,在实际操作过程中发现,相同距离的两个弧面间也会发生放电(主要弧面表面不够光滑,有许多微小的尖端,但学生并不清楚,也看不出来)．尽管放电的声音与尖端放电有所不同,但是学生很难分辨出这个现象．如此,尖端放电现象说明尖端电荷分布比较密集,平缓处电荷分布比较稀疏的特点,在说服力上,在学生观察这个角度来讲就要打一个折扣了．

鉴于上述几点问题,我们研究制作了静电现象显示仪,它不仅成功率高,现象明显,视觉效果强,说服力高,而且制作简单,取材方便,操作简单,任何一个学生都可以自己动作制作．

2 仪器的制作

(1) 理论依据.

带电体同种电荷相互排斥,电荷在电场中会受到电场力的作用．带电体带电量越大,排斥现象越明显,电场力越大,金属箔等张开角度会越大．

(2) 制作材料和工具.

材料:金属圆筒(可用奶粉罐,油漆桶等金属筒均可),绝缘支架,螺丝钉(作为尖端),流苏线(就是用来做中国结穗子的那种),餐巾纸(剪成条状),砂纸(擦除绝缘漆),透明胶．

工具:小型螺丝刀,剪刀,钉子,小铁锤．

(3) 制作流程(如图1).

图1 演示仪构造

① 准备材料和工具．

② 在奶粉罐的螺丝钉固定处和餐巾纸粘贴处以及接线柱处,用砂纸打磨去绝缘漆．

③ 在接线柱和螺丝钉固定处用钉子打上小孔．

④ 用螺丝刀将螺丝钉和接线柱固定在奶粉罐的顶部和侧部,并保证接触良好．

⑤ 在奶粉罐两侧和内侧分别粘贴上餐巾纸,流苏线(即实验室的验电羽)．

⑥ 制作支架,木架或者塑料泡沫均可．

(4) 制作注意事项.

① 作为尖端的螺丝钉尽可能的尖,不要在固定的过程中把尖端损坏了,从而影响了实验效果．

② 餐巾纸剪成条状时,相对要剪得细些,均匀些．此处可以用其他一些材料来替代,像验电羽,金属箔都可以,但是餐巾纸的效果最好．

③ 在显示尖端和平缓处电荷分布特点时,不能使用餐巾纸替代流苏线,因为餐巾纸非常轻,非常灵敏;假如平缓处和尖端处均用餐巾纸,金属筒带电后,两处均会张开,而且效果都很明显,如此,就显示不出两者电荷的一个分布特点了．使用流苏线也是我们在比较了很多材料后才定下的,我们使用过毛线,金属箔,餐巾纸,纸条,头发,塑料丝等,最后发现,流苏线为最佳选择．

④ 在显示尖端和平缓处电荷分布特点时,还应注意,使用的流苏线不可太多,据我们的经验,一根为最好;因为尖端处,电荷分布最密集,但是总量不一定最多,流苏线张开的角度和电荷的量有关．当然,可能不同的环境,情况会有所不同,可以肯定的是不可太多．这个制作者要注意把握数量,以获得最佳的实验效果．

⑤ 支架必须绝缘,尽量减少金属筒上的不必要的尖端,减小漏电,以延长实验时间．

(5) 仪器成品展示(如图2).

图2图3

(6) 实验现象展示.

① 当给金属筒带上电荷后,我们会发现外侧的餐巾纸盒流苏线都张开(如图3右侧),但是内部的餐巾纸没有张开．这个说明在金属导体上,电荷分布在外表面,内表面没有电荷分布．

② 在流苏线张开的一侧,观察到明显的张角不同,螺丝钉(尖端)处线张角很大,粘贴在平缓的金属筒上的流苏线只是微微张开(如图3左侧)．此现象说明,尖端处电荷分布密集,平缓处电荷分布稀少．

(7) 实验备注.

对于实验过程中需要的静电荷,根据学校的实际,可以用电线管和垃圾袋摩擦得到,有条件的也可以将接线柱接到静电起电机上．据实际经验,以上得到的电荷量还是比较多的,足够提供实验所需的静电荷．

3 实验拓展

金属筒内表面不带电,但是当验电器通过导线和金属内表面连接时,验电器又会张开,如图4所示．这个现象可以通过理论解释,但是很多学生还是会将信将疑,这里可以通过实验仪器解决学生心中的迷惑．

图4 实验拓展

4 实验反思

尽管通过改进,实验具有成功率高,现象明显,视觉效果强,说服力高,而且制作简单,取材方便,操作简单,任何一个学生都可以自己动作制作等优点．但是仍有许多不足之处,特别是在实验现象保持的时间上还是不够,而且在观察的过程中还处于一种动态变化的过程,这些都需要在以后的教学中不断改进．

在每一堂物理课中几乎都涉及到实验教学,实验有演示实验、学生实验、课本小实验、课外实验等,但无论是哪种实验,作为教师应该努力让实验尽可能操作简单、现象明显、可信度高．因此,我们就应该研究实验、改进实验、创新实验．只有这样,实验教学才能达到理想的效果,也可以使得教师和学生同频共振、教学相长．

1 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心. 物理选修3-1 [M].北京： 人民教育出版社,2012:24-27.

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