陳泓宇 項(xiàng)浩原 郝 睿

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

教具是教師與學(xué)生在課堂中開展學(xué)習(xí)和探究的重要材料，它不僅能豐富課堂活動(dòng)，增加課堂趣味性，還可以幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)并促進(jìn)學(xué)生探究意識(shí)的養(yǎng)成.借助課堂中物理實(shí)驗(yàn)傳授物理知識(shí)和培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)是物理教學(xué)中的重要手段.培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)并不能用語言文字符號(hào)直接傳授，需要教師在課堂中增加物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)探究過程，“坐著學(xué)”與“做著學(xué)”相結(jié)合才能更好地幫助學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成[1]. 為了深化學(xué)生對(duì)電學(xué)知識(shí)的理解，本文設(shè)計(jì)了兩套有關(guān)靜電的課堂教具，以充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)對(duì)課堂教學(xué)的有效輔助作用.

1 設(shè)計(jì)靜電跑道建構(gòu)探究課堂

學(xué)生在日常生活中經(jīng)常接觸靜電，對(duì)靜電會(huì)有基本的認(rèn)識(shí).人教版教材中必修3的第1節(jié)內(nèi)容是電荷，其中包含了接觸起電、感應(yīng)起電、認(rèn)識(shí)兩種電荷、電荷守恒定律與元電荷等知識(shí)點(diǎn).為構(gòu)建探究型的課堂，必須借助能引起學(xué)生強(qiáng)烈興趣的實(shí)驗(yàn)作為課堂的開端，然后作為探究的材料來建構(gòu)課堂探究.以下是本文設(shè)計(jì)靜電跑道實(shí)驗(yàn)的演示、原理、制作和應(yīng)用.

1.1 靜電跑道實(shí)驗(yàn)演示

實(shí)驗(yàn)器材：靜電魔法棒，靜電小球，圓環(huán)鋁箔泡沫軌道，導(dǎo)線.

演示步驟：

第一步，將靜電小球放在靜電導(dǎo)軌上.

第二步，使圓環(huán)泡沫軌道的內(nèi)圈鋁箔錫紙接地.

第三步，打開靜電魔法棒開關(guān)，將集電梳與泡沫軌道外圈的鋁箔錫紙接觸，觀察現(xiàn)象.

第四步，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，斷開電動(dòng)機(jī)開關(guān)，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行安全放電.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：靜電魔法棒接觸鋁箔錫紙時(shí)，靜電小球會(huì)沿著圓環(huán)軌道持續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，如圖1所示.

圖1 靜電跑道實(shí)驗(yàn)

1.2 靜電跑道實(shí)驗(yàn)原理

(1)靜電魔法棒

靜電魔法棒的起電原理類似于范式起電機(jī)，由自激梳，集電梳，上、下滾輪，傳送帶，電動(dòng)機(jī)組成，如圖2所示.電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)并與傳送帶發(fā)生摩擦.通過摩擦使下滾輪帶上負(fù)電荷，正電荷則由傳送帶送至上滾輪；受正電荷作用，集電梳中的負(fù)電荷經(jīng)由尖端到達(dá)傳送帶外表面，使集電梳外表面帶上了正電荷，而負(fù)電荷就被自激梳源源不斷地送走.由于滾輪持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終使得正電荷在集電梳上持續(xù)積累.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)裝置集電梳帶正電而自激梳帶負(fù)電，并且它們之間產(chǎn)生不高于10 V的壓差，符合安全實(shí)驗(yàn)范圍.

圖2 靜電魔法棒結(jié)構(gòu)示意圖

(2)靜電跑道

圓環(huán)靜電跑道的物理原理涉及接觸起電、感應(yīng)起電、同種電荷相互排斥與異種電荷相互吸引.如圖3所示，在泡沫圓環(huán)軌道內(nèi)外圈及軌道底部貼好錫紙.當(dāng)靜電魔法棒中帶有正電荷的集電梳與圓環(huán)外圈錫紙接觸時(shí)，錫紙因接觸起電帶有正電荷；同時(shí)，軌道內(nèi)圈與大地相連的錫紙因感應(yīng)起電而帶有負(fù)電荷；最終，軌道底部錫紙上形成正負(fù)電荷的間隔分布，為靜電小球的持續(xù)運(yùn)動(dòng)做好準(zhǔn)備.

圖3 鋁箔錫紙帶電示意圖

(3)運(yùn)動(dòng)的靜電小球

讓小球與軌道底部任意一片鋁箔錫紙接觸，比如帶正電荷的錫紙.因接觸起電，小球帶有與接觸錫紙同樣性質(zhì)的正電荷.在同種(正)電荷相互排斥的作用下，小球會(huì)向前運(yùn)動(dòng).在運(yùn)動(dòng)過程中，由于小球帶正電荷，相鄰錫紙帶負(fù)電荷，小球還會(huì)受到異種電荷相互吸引的作用，直至運(yùn)動(dòng)到相鄰錫紙上并與其接觸.此時(shí)，小球因再次接觸起電而帶有負(fù)電荷，在同種(負(fù))電荷相互排斥作用下，小球繼續(xù)出發(fā)運(yùn)動(dòng)到第3張帶正電荷的錫紙上，再次發(fā)生接觸起電.這樣的過程交替出現(xiàn)，使小球在不斷地交換電性的狀態(tài)下沿軌道持續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而形成靜電跑道現(xiàn)象，如圖4所示.

圖4 小球在圓環(huán)軌道運(yùn)動(dòng)

1.3 靜電跑道實(shí)驗(yàn)制作

(1)靜電小球

制作材料：泡沫小球，墨水.

制作方法：泡沫小球涂上墨水后晾干，之后再涂一層墨水.反復(fù)幾次使泡沫小球的表面涂滿石墨以增加小球的帶電能力.經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，小球的半徑大小在1～1.4 cm最合適.半徑太大，小球會(huì)因質(zhì)量過大而無法在跑道上運(yùn)動(dòng)；半徑太小，小球就不會(huì)越過相鄰鋁箔錫紙中線而排被斥回來，導(dǎo)致小球在兩片鋁箔錫紙之間往復(fù)運(yùn)動(dòng).

(2)圓環(huán)靜電跑道

制作材料：泡沫板，鋁箔錫紙.

制作方法：將泡沫板制作成圓環(huán)凹槽，在凹槽內(nèi)圈(上部和外側(cè))與外圈(上部與內(nèi)側(cè))貼上鋁箔錫紙，凹槽底面錫紙與軌道側(cè)面錫紙間隔單側(cè)相連，如圖1所示.條形鋁箔錫紙的寬度在0.60～1.50 cm較為合適.鋁箔錫紙小于0.60 cm時(shí)，小球會(huì)因接觸不充分而使帶電荷量不足；鋁箔錫紙大于1.5 cm時(shí)，小球就不會(huì)越過下一片鋁箔錫紙而被排斥回來，導(dǎo)致小球在兩片鋁箔錫紙之間往復(fù)運(yùn)動(dòng).

(3)靜電魔法棒

制作材料：塑料管，塑料滾輪(可根據(jù)情況使用材料)，金屬滾輪，橡膠皮帶，電動(dòng)機(jī)導(dǎo)線，金屬片，開關(guān)，兩節(jié)干電池.

制作方法：如圖2所示，把塑料滾輪、金屬滾輪、橡膠皮帶、電動(dòng)機(jī)導(dǎo)線、金屬片在塑料管內(nèi)連接起來.電動(dòng)機(jī)接在下滾輪上，然后將電動(dòng)機(jī)、開關(guān)與干電池串聯(lián)在一起；自激梳與電動(dòng)機(jī)開關(guān)的塑料外緣連接.

1.4 靜電跑道實(shí)驗(yàn)的課堂應(yīng)用

教師在教學(xué)的時(shí)候可借助本實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生對(duì)不同起電過程的思考，并在實(shí)驗(yàn)過程中調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)探究意識(shí).基于 “為什么小球可以在跑道中運(yùn)動(dòng)？”“是什么力推動(dòng)了它？”等問題來驅(qū)動(dòng)學(xué)生們思考，再用輔助儀器來檢測(cè)小球與軌道的電性，進(jìn)而將接觸起電、感應(yīng)起電與兩種電荷及其相互作用生動(dòng)形象地展示給學(xué)生，從而幫助學(xué)生更好地實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu).借助自制教具，教師可以打造一個(gè)探究性的課堂，把靜電跑道變成一個(gè)探究課題，探究小球向前運(yùn)動(dòng)的原因，從而讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到“什么是科學(xué)”[2].從而體現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)的“物理學(xué)是基于人類有意識(shí)的探究而形成的對(duì)自然現(xiàn)象的描述與解釋，并需要接受實(shí)踐的檢驗(yàn)[3]”的科學(xué)本質(zhì)觀.

2 演示懸浮靜電泡化抽象理論為形象認(rèn)知

電學(xué)知識(shí)大多為抽象知識(shí)，生活中難以直接地觀察，學(xué)生缺少形象的認(rèn)知.為學(xué)生加深對(duì)電學(xué)知識(shí)的理解，設(shè)計(jì)了懸浮靜電泡實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生形象地認(rèn)識(shí)電荷之間的相互作用、物體的起電方式.在實(shí)驗(yàn)中，上述靜電魔法棒起電基礎(chǔ)上，可以在集電梳端加載接觸棒，以實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?本實(shí)驗(yàn)使用硬殼紙作為接觸棒，以方便實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的展示.以下是實(shí)驗(yàn)的演示、原理、制作和應(yīng)用.

2.1 懸浮靜電泡實(shí)驗(yàn)演示

實(shí)驗(yàn)器材：泡泡水，錫紙吸管，靜電魔法棒，接觸棒.

演示步驟：

第一步，用錫紙吸管沾上泡泡水然后吹出泡泡，注意讓泡泡不能離開吸管.

第二步，打開靜電魔法棒開關(guān)，將懸掛著泡泡的錫紙管緊貼著接觸棒，通過接觸棒讓魔法棒為泡泡“充電”，如圖5所示.

圖5 靜電泡“充電”過程

第三步，充電20～30 s后，泡泡因?yàn)殪o電力作用(同種電荷相斥)離開錫紙吸管，此時(shí)，將帶有接觸棒的靜電魔法棒快速移動(dòng)到泡泡底部，注意不要觸碰到靜電泡以防止將其弄破.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：泡泡剛形成時(shí)沒有離開吸管；“充電”20～30 s后，泡泡離開錫紙管；當(dāng)靜電魔法棒移動(dòng)到泡泡下端時(shí)，泡泡自由懸浮在空中，如圖6和圖7所示.

圖6 靜電泡懸浮過程

圖7 靜電泡懸浮示意圖

2.2 懸浮靜電泡實(shí)驗(yàn)原理

靜電魔法棒的實(shí)驗(yàn)原理同1.2(1)，在電動(dòng)機(jī)作用下，魔法棒和接觸棒帶正電荷.當(dāng)帶有泡泡的錫紙管和魔法棒接觸時(shí)，泡泡和錫紙管因接觸起電帶有正電荷.在錫管和靜電泡之間靜電斥力作用下，泡泡離開錫紙管，此時(shí)，將魔法棒移至靜電泡下端，靜電泡在魔法棒施加的斥力作用下，自由懸浮于空中，如圖6，7所示.

2.3 懸浮靜電泡的制作

(1)錫紙管

制作材料：玻璃管或塑料吸管(直徑在0.5～0.7 cm為宜),鋁箔錫紙.

制作過程：用錫紙包裹玻璃管或塑料吸管.注意在實(shí)驗(yàn)過程中，人體接觸吸管的部分應(yīng)該與錫紙隔開(不包裹錫紙或者用絕緣膠纏繞).

(2)泡泡水

制作材料：泡泡水濃縮液、食鹽、水、白砂糖.

制作過程：

第一步，泡泡水原液和水按1∶6的比例混合制成泡泡水.

第二步，在泡泡水中加入適量食鹽，使泡泡水的電解質(zhì)更加飽滿，容易帶電.

第三步，普通泡泡容易破裂，不易組織實(shí)驗(yàn).為了增加泡泡的液膜強(qiáng)度，可以在泡泡水中加入大量的白砂糖，并用酒精燈加熱以加速白砂糖的溶解，如圖8所示.加糖量到一定濃度后，刺破后的泡泡會(huì)在地上留有一層白色“薄膜”，這樣的泡泡韌性好，不容易破裂.在實(shí)驗(yàn)過程中，可以持久懸浮于空中，便于觀察和組織實(shí)驗(yàn).

圖8 加速溶解白糖過程

2.4 懸浮靜電泡實(shí)驗(yàn)輔助課堂思路與總結(jié)

吹泡泡是學(xué)生童年的快樂，所以大多數(shù)學(xué)生都會(huì)對(duì)本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生濃厚的興趣，希望能知道泡泡懸浮的奧秘.因此本實(shí)驗(yàn)可以讓教師更容易引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入探究課堂.通過懸浮靜電泡實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生直觀地體會(huì)到接觸起電與同種電荷相斥的物理原理.讓學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)物理問題并解釋物理問題，從而在認(rèn)知結(jié)構(gòu)中建構(gòu)電學(xué)知識(shí).在此過程中給學(xué)生帶來的驚奇和對(duì)原理解釋的頓悟，使學(xué)生領(lǐng)會(huì)科學(xué)必須建立在真實(shí)的證據(jù)之上的科學(xué)本質(zhì).同時(shí)實(shí)驗(yàn)也可以作為一個(gè)項(xiàng)目式的探究學(xué)習(xí)，借助查閱資料和輔助實(shí)驗(yàn)來探究泡泡懸浮的原因，以及靜電魔法棒的實(shí)驗(yàn)原理，從而讓學(xué)生親身體驗(yàn)科學(xué)探究過程，促進(jìn)科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成.

3 總結(jié)

創(chuàng)新制作“靜電跑道”與“懸浮靜電泡”實(shí)驗(yàn)教具，為教師教學(xué)提供教具支持.本文的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以安排在課堂引入環(huán)節(jié)，也可以作為探究實(shí)驗(yàn)或項(xiàng)目化學(xué)習(xí)方案執(zhí)行.創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)不僅可以豐富課堂活動(dòng)，拉近師生距離，還可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，減輕學(xué)生學(xué)習(xí)理論的阻力，從而提高課堂效能.直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)化，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和原理的解釋有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成.