用塑料絲模擬電場線真的對嗎

文藝臻 孫雅馨 張殷

摘? ?要：演示實(shí)驗(yàn)有助于激發(fā)學(xué)生的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)知，但教師在做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)避免只追求科學(xué)現(xiàn)象的震撼而忽視實(shí)驗(yàn)本質(zhì)。演示實(shí)驗(yàn)最重要的是抓住科學(xué)的本質(zhì)，而不是追求形的相似。近年來出現(xiàn)了一種塑料絲模擬點(diǎn)電荷電場線的實(shí)驗(yàn)，看似能生動(dòng)展示同種和異種點(diǎn)電荷的電場變化，然而該實(shí)驗(yàn)并不能完全準(zhǔn)確地模擬點(diǎn)電荷的電場線，研究將從分析實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)說明該演示實(shí)驗(yàn)的問題。

關(guān)鍵詞：演示實(shí)驗(yàn)；電場線；物理實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)本質(zhì)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）8-0053-3

１? ? 演示實(shí)驗(yàn)

演示實(shí)驗(yàn)是教師展示教學(xué)藝術(shù)的獨(dú)特手段，能夠化枯燥為生動(dòng)，所以在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，教師通常會采用易于觀察的、給人以震撼的現(xiàn)象［１］。因?yàn)樾缕娴膶?shí)驗(yàn)現(xiàn)象常常會超乎學(xué)生的意料，從而引發(fā)學(xué)生的興趣并激起強(qiáng)烈的求知欲，將學(xué)生從感性認(rèn)識轉(zhuǎn)變?yōu)槔硇缘乃伎肌?/p>

演示實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中的作用主要在于：（１）利用真實(shí)且形象生動(dòng)的演示激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和學(xué)習(xí)欲望；（２）利用演示所展示的現(xiàn)象和過程向?qū)W生提供必要的生動(dòng)的感性認(rèn)識；（３）利用演示揭示研究對象的本質(zhì)，幫助學(xué)生透過表面現(xiàn)象認(rèn)識事物的本質(zhì)；（４）利用演示培養(yǎng)學(xué)生的多種能力［２］。

抓人眼球的演示實(shí)驗(yàn)有助于激發(fā)學(xué)生的興趣，但是演示實(shí)驗(yàn)的核心是幫助學(xué)生透過表面現(xiàn)象認(rèn)識事物的本質(zhì)。最近網(wǎng)絡(luò)上有一種比較新穎的電場線模擬實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用塑料絲就可以模擬點(diǎn)電荷的三維電場線，但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裾娴哪M點(diǎn)電荷的電場線還有待商榷。接下來，從發(fā)絲實(shí)驗(yàn)的原理和塑料絲實(shí)驗(yàn)的原理進(jìn)行分析討論。

２? ? 電場線模擬實(shí)驗(yàn)

從發(fā)絲實(shí)驗(yàn)的原理和塑料絲實(shí)驗(yàn)的原理進(jìn)行分析討論。

２．１? ? 發(fā)絲實(shí)驗(yàn)

在２０１9年版人教版高中物理必修第三冊課本實(shí)驗(yàn)中，通過演示頭發(fā)碎屑在蓖麻油中受電場力的作用模擬電場線的實(shí)驗(yàn)（以下簡稱“發(fā)絲實(shí)驗(yàn)”），將頭發(fā)碎屑放置于蓖麻油中，隨后加上電場，懸浮于蓖麻油中的頭發(fā)碎屑就會隨著電場方向排列，從而模擬了電場線，模擬圖像如圖１所示。

運(yùn)用發(fā)絲模擬電場線的原理大致如下，頭發(fā)碎屑是由蛋白質(zhì)構(gòu)成，同時(shí)也是微小物體，本身并不顯電性，把頭發(fā)碎屑看作一個(gè)圓柱體，正常情況下正負(fù)電荷在圓柱體內(nèi)部是隨機(jī)分布的（圖２）。

把頭發(fā)碎屑置于如圖３所示的水平向右的電場中時(shí)，頭發(fā)碎屑內(nèi)的電荷會因?yàn)橥獠侩妶龅挠绊?，?dǎo)致負(fù)電荷移動(dòng)，使得發(fā)絲的兩端顯示異種電性，這樣頭發(fā)碎屑受到電場力，會在電場中發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，直到與電場線方向平行才會靜止，最后展示出來的效果就是無數(shù)的發(fā)絲沿著電場線的方向進(jìn)行排列，這樣來模擬電場線是符合科學(xué)原理的。

點(diǎn)電荷的電場線模擬也是相同的，運(yùn)用圓柱體模擬頭發(fā)絲，當(dāng)沒有外電場時(shí)，圓柱體內(nèi)的自由電荷如圖４所示，各個(gè)自由電荷的運(yùn)動(dòng)方向是雜亂無章的，因發(fā)絲不帶電，故發(fā)絲（圓柱體）內(nèi)運(yùn)動(dòng)的正負(fù)電荷數(shù)數(shù)量相等。

當(dāng)加入一正點(diǎn)電荷后，各個(gè)發(fā)絲會由于點(diǎn)電荷的電場，從而使得頭發(fā)絲內(nèi)的自由電荷受到點(diǎn)電荷的電場力，從而頭發(fā)絲會偏轉(zhuǎn)，最后停在與電場線平行的方向，負(fù)電荷會在頭發(fā)絲靠近正點(diǎn)電荷的一端，靠近正點(diǎn)電荷的一端會顯負(fù)電（圖５）。

在整個(gè)過程中，發(fā)絲是水平放置的，那么發(fā)絲在豎直方向上理應(yīng)受到大小相等、方向相反的重力與蓖麻油所提供的浮力，才能夠靜止在蓖麻油中。而水平方向上應(yīng)受到靜電力和微小的阻力。在高中物理進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于需要將蓖麻油和頭發(fā)壓在兩塊玻璃板之間，并接上電源，兩塊玻璃板一般不大，所以在實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)象不是很明顯，時(shí)常需要借助投影儀以及其他技術(shù)設(shè)備才能被每個(gè)學(xué)生觀察到。

２．２? ? 塑料絲實(shí)驗(yàn)的操作步驟介紹

近來網(wǎng)絡(luò)和各類教學(xué)技能比賽中出現(xiàn)了一種使用塑料絲模擬點(diǎn)電荷電場線分布的新方法（圖６）。整個(gè)操作流程如下：

首先，選取一個(gè)絕緣板作為底座，再取一個(gè)絕緣的塑料棒或亞克力棒作為支撐。隨后將平時(shí)生活中常用的塑料繩截取一段下來，在其中央打一個(gè)死結(jié)，用來固定。此時(shí)塑料繩的中間有了一個(gè)結(jié)點(diǎn)，以結(jié)點(diǎn)為一端，將另外的繩子順到另一端，之后用梳子梳理綁好的塑料繩。從而使得塑料繩變?yōu)橐粭l條極細(xì)的塑料絲線，之后運(yùn)用摩擦起電原理，將毛皮不斷地在塑料絲線上摩擦，使得塑料絲線上帶上了電，如果想要帶上另一種電荷，用塑料袋摩擦絲線即可。之后將棉線穿過絕緣棒，將其固定在絕緣板上，用力一抖，塑料絲線便會漂浮在空中，形成一個(gè)球體，許多人將其用來模擬點(diǎn)電荷形成的電場線。這種使用塑料絲模擬點(diǎn)電荷電場分布的方法具有一定的啟發(fā)性，但這樣真的可以看作點(diǎn)電荷的電場線嗎？

２．３? ? 塑料絲實(shí)驗(yàn)原理及與發(fā)絲實(shí)驗(yàn)的區(qū)別

摩擦后的塑料絲確實(shí)呈現(xiàn)出與點(diǎn)電荷電場線相似的形狀，然而，從實(shí)驗(yàn)原理上講，這種形狀并不足以作為點(diǎn)電荷電場線分布的準(zhǔn)確模擬。

從實(shí)驗(yàn)原理的角度來分析，實(shí)驗(yàn)中通過摩擦起電原理使塑料絲帶電后，塑料絲受到靜電排斥力，使其分散形成一個(gè)球體，每根塑料絲能夠靜止在空中，自身受到重力和其他塑料絲的電場力，以及繩子的拉力。塑料絲所受到的靜電力并非來源于其球心，而是來源于其周圍的其他塑料絲帶電所產(chǎn)生的靜電力，此實(shí)驗(yàn)僅展示了靜電力在空間中的排斥效應(yīng)，并不能直接展示電場線的分布。而在原先的點(diǎn)電荷電場線模擬實(shí)驗(yàn)中，頭發(fā)碎屑所受的主要的靜電力來源于其中心的點(diǎn)電源。塑料絲模擬電場線與傳統(tǒng)點(diǎn)電荷電場線模擬實(shí)驗(yàn)（如使用頭發(fā)碎屑）有顯著差別。

在電場概念的教學(xué)中，教材通過引入一個(gè)試探電荷來測試電場的存在。然而，試探電荷的要求是其帶電量應(yīng)遠(yuǎn)小于中心點(diǎn)電荷的電荷量。在塑料絲實(shí)驗(yàn)中，中心并沒有點(diǎn)電荷存在，而且任一塑料絲受到的靜電力均來源于其周圍的塑料絲，且它們的電荷量大致相同。因此，我們不能將這種實(shí)驗(yàn)與點(diǎn)電荷的電場視為相同，盡管它們的形狀具有相似性。

塑料絲實(shí)驗(yàn)可能對于直觀地感受靜電力有一定幫助，但并不能準(zhǔn)確地模擬點(diǎn)電荷的電場線分布。在深入研究電場概念時(shí)，我們需要采用更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ǎ垣@得更準(zhǔn)確的電場線分布。

３? ? 教學(xué)思考

這種使用塑料絲模擬點(diǎn)電荷電場分布的方法具有一定的啟發(fā)性，是一次新的嘗試，但它并不能完全準(zhǔn)確地表示點(diǎn)電荷的電場線，看似能夠形象清晰地為學(xué)生模擬點(diǎn)電荷電場線的分布，更是可以將同種和異種點(diǎn)電荷相互靠近時(shí)其電場的變化生動(dòng)靈活地體現(xiàn)出來，將抽象的電場轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際的現(xiàn)象。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)看似是一個(gè)生動(dòng)形象的演示實(shí)驗(yàn)，但其實(shí)卻違反了演示實(shí)驗(yàn)最本質(zhì)的要求，即演示實(shí)驗(yàn)需要研究對象的本質(zhì)，本來是幫助學(xué)生透過表面現(xiàn)象認(rèn)識事物本質(zhì)的途徑，卻成為學(xué)生理解電場線概念的“攔路虎”。

４? ? 教學(xué)建議

如果教師要將塑料絲模擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于教學(xué)，不可以直接將其稱為點(diǎn)電荷的電場線。其一，電場線本是為了方便研究電場，繼而人為畫出的線條。其二，無論是模擬單個(gè)點(diǎn)電荷亦或是模擬同種和異種點(diǎn)電荷之間的電場線，其原理都與真實(shí)的點(diǎn)電荷電場有所出入。明明教師是將塑料絲摩擦以后，塑料絲才能靜止在空中，也沒有點(diǎn)電荷的出現(xiàn)，但如果說這是點(diǎn)電荷的電場，不但不會加深學(xué)生的理解，反而會混淆學(xué)生對電場的理解。

塑料絲實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中具有一定的啟發(fā)性作用，但同時(shí)也要關(guān)注其局限性。教師需要在實(shí)驗(yàn)過程中適時(shí)對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，確保學(xué)生能夠正確理解和掌握電場的相關(guān)概念。

５? ? 總? 結(jié)

實(shí)驗(yàn)本身的意義是培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和作風(fēng)，不論實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象多么令人震撼，如果只是凸顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象而忽略了實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)原理，這與我們想要培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的目的是南轅北轍的。演示實(shí)驗(yàn)最重要的作用就是探究科學(xué)的本質(zhì)，而不是追尋外形的相似。

參考文獻(xiàn)：

［１］孫龍周． 物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能、現(xiàn)狀及創(chuàng)新路徑［Ｊ］． 物理教學(xué)，２０１８，４０（１２）：44-48，51．

［２］閻金鐸，郭玉英．中學(xué)物理新課程教學(xué)概論［Ｍ］．北京：北京師范大學(xué)出版社，２００８：１１４－１１８.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）