周玉芝

(北京教育學(xué)院化學(xué)系 北京 100120)

靜電復(fù)印模擬實驗改進與教學(xué)活動設(shè)計

周玉芝

(北京教育學(xué)院化學(xué)系 北京 100120)

靜電現(xiàn)象及其在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用是中學(xué)物理的重要教學(xué)內(nèi)容，其中靜電復(fù)印機原理內(nèi)容是幫助學(xué)生了解靜電現(xiàn)象及其應(yīng)用，促進用物質(zhì)的微觀模型和電荷守恒定律分析靜電現(xiàn)象的重要教學(xué)素材，靜電復(fù)印機發(fā)明故事還是進行創(chuàng)新教育的好素材．因此開發(fā)出揭示靜電復(fù)印原理本質(zhì)且直觀明了的實驗教具對以上教學(xué)目標達成具有重要支持價值．筆者用復(fù)印機所用墨粉和有機玻璃板進行靜電潛像的顯像，揭示了靜電復(fù)印的基本原理，拉近了靜電復(fù)印模擬實驗與真實靜電復(fù)印過程的距離，可以幫助學(xué)生更好地理解摩擦起電、靜電及其應(yīng)用等知識．筆者還針對課程標準的相關(guān)要求提出了教學(xué)活動的設(shè)計建議．

靜電復(fù)印 靜電潛像 實驗改進

1 研究背景

《普通高中物理課程標準》中提出：了解靜電現(xiàn)象及其在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用；用物質(zhì)的微觀模型和電荷守恒定律分析靜電現(xiàn)象；認識點電荷間的相 互作用規(guī)律；收集有關(guān)電磁領(lǐng)域重大技術(shù)發(fā)明的資料；從歷史角度認識這些技術(shù)發(fā)明對人類生活方式、社會發(fā)展所起的重要作用[1]．

而對于學(xué)生來說，要達成以上學(xué)習(xí)目標，實驗手段是必不可少的．雖然學(xué)生在日常生活中能感知靜電的存在，但因無法用視覺可見，加之還涉及電學(xué)和物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)等的知識綜合，所以很多學(xué)生感覺對靜電理解起來很困難，對靜電復(fù)印原理也是知其然而不知其所以然．

為幫助學(xué)生認識靜電復(fù)印原理， 有教師用易拉罐、粘貼紙、粉筆灰等設(shè)計了一套模擬靜電復(fù)印的實驗．該實驗盡管模擬了靜電復(fù)印過程，但粉筆灰不是靠靜電力吸附上去的，因而沒有體現(xiàn)靜電復(fù)印的本質(zhì)[2]．

有教師利用電視機屏幕，用手在屏幕上寫字，然后在屏幕上拍打蘸有痱子粉的棉花，飛揚的痱子粉就會被吸附在屏幕上，但手寫過字的地方幾乎沒有痱子粉，從而說明靜電復(fù)印是利于靜電有選擇地吸附碳粉進行復(fù)印的[3]．

還有教師設(shè)計的是在有機玻璃板上用絲綢摩擦出字體，然后撒上木屑或面粉來顯現(xiàn)字形[4，5]．

以上靜電復(fù)印模擬實驗的現(xiàn)象比較明顯，但用痱子粉、面粉等顯影體現(xiàn)的是帶電體有吸引輕小物體的性質(zhì)，與真實的靜電復(fù)印原理還有一點兒區(qū)別．筆者采用復(fù)印機實際所用墨粉進行靜電復(fù)印模擬實驗，該實驗可以有效地揭示靜電復(fù)印的基本原理，有利于學(xué)生理解靜電復(fù)印的過程，理解靜電學(xué)相關(guān)知識．

2 實驗方法及實驗原理

2.1 實驗材料

有機玻璃板1塊，PP塑料板1塊，絲綢1塊，復(fù)印機用墨粉(可使用從廢棄墨盒中取出的殘余墨粉)，小刷子1把．

2.2 實驗方法

(1)將有機玻璃板與地面接觸，使其表面靜電釋放．然后用小刷子蘸上墨粉，將墨粉輕撒在有機玻璃板上，然后傾斜有機玻璃板，并用刷子尖將附在板上的浮粉輕輕掃去．實驗現(xiàn)象是有機玻璃板上只殘留個別墨粉，墨粉與有機玻璃板之間沒有明顯的吸附作用．

(2)取相同材料的另一塊有機玻璃板，將有機玻璃板與地面接觸，使其表面靜電釋放．然后把有機玻璃板放在桌面上，用絲綢在有機玻璃板上用力擦劃一個字形，每個筆畫反復(fù)擦劃7～8次．觀察有機玻璃板面，發(fā)現(xiàn)有機玻璃板面上沒有肉眼可見的痕跡．

(3)用小刷子蘸上墨粉，將墨粉輕撒在有機玻璃板上，然后傾斜有機玻璃板，并用刷子尖將附在板上的浮粉輕輕掃去．這時可以看到有機玻璃板上清晰地顯現(xiàn)出來前面用絲綢擦劃出的字形，如圖1所示．

圖1 墨粉在有機玻璃板上顯現(xiàn)靜電潛影

2.3 實驗原理

當(dāng)用絲綢摩擦有機玻璃板后，由于有機玻璃板相比絲綢更容易失去電子，有機玻璃板表面的一些電子轉(zhuǎn)移到絲綢上，因此有機玻璃板表面帶正電．而復(fù)印機墨粉是帶負電荷的，正負電荷相吸引，所以墨粉就吸附在有機玻璃板面被絲綢摩擦過的地方，即將靜電潛像顯現(xiàn)出來．

為了說明墨粉吸附在有機玻璃板上是靠正負電荷的吸引作用，可以用PP塑料板作對比實驗．當(dāng)用絲綢摩擦PP塑料板后，根據(jù)摩擦起電順序[6]，PP塑料板表面帶負電荷．這樣，表面帶負電荷的PP塑料板就會排斥帶同種負電荷的墨粉．圖2是筆者用絲綢在PP塑料板上反復(fù)擦劃一個“2”的筆跡，然后用小刷子蘸上墨粉，將墨粉輕撒在PP塑料板上，然后用刷子將墨粉在板上反復(fù)掃幾下．可以看到，在用絲綢擦劃過的地方對墨粉有排斥作用，顏色明顯淡于其他地方．

圖2 墨粉在PP塑料板上顯現(xiàn)靜電潛影

用墨粉顯現(xiàn)有機玻璃板上用絲綢摩擦出的字跡實驗和用墨粉顯現(xiàn)PP塑料板上用絲綢摩擦出字跡的對比實驗，以及結(jié)合墨粉與未經(jīng)摩擦的有機玻璃板間不吸附的實驗，說明墨粉之所以吸附在有機玻璃表面用絲綢摩擦出的筆跡上面，是因為字跡帶正電荷，墨粉帶負電荷，正負電荷相互吸引，這樣字形就通過墨粉顯現(xiàn)出來．此實驗反映的就是靜電復(fù)印的基本原理．

3 教學(xué)活動設(shè)計建議

(1)認識復(fù)印機發(fā)明的意義.請學(xué)生感受把一段文字抄寫下來和用復(fù)印機復(fù)印出來的速度對比，討論現(xiàn)代復(fù)印機在我們的日常生活和文化傳播等方面作用，認識復(fù)印機發(fā)明的意義與價值．

(2)提出問題.文字為什么能在復(fù)印紙上顯示出來？

學(xué)生會發(fā)現(xiàn)文字之所以能在復(fù)印紙上顯示出來，是因為墨粉吸附在紙上，而且恰好吸附在文字的筆畫上，這樣字跡就出現(xiàn)了．

(3)提出問題.墨粉為什么能吸附在復(fù)印張上？

此問題是學(xué)生現(xiàn)階段無法回答的，他們帶著這個疑問進行上述實驗．當(dāng)學(xué)生進行了用墨粉將有機玻璃板上絲綢所摩擦出的文字顯形實驗后，教師可以告訴學(xué)生墨粉帶負電荷，請學(xué)生分析墨粉將有機玻璃板上絲綢所摩擦出的文字顯形的原因．這時學(xué)生能夠分析出絲綢與有機玻璃板因摩擦起電，有機玻璃帶正電荷，因此可以吸引帶負電荷的墨粉．

為了驗證以上的分析，請學(xué)生換一塊塑料板重復(fù)上述實驗，這時學(xué)生會看到墨粉被排斥的現(xiàn)象．教師為學(xué)生提供摩擦起電順序表，學(xué)生會知道墨粉被排斥是因為這種塑料板與絲綢摩擦后帶負電，所以會排斥帶負電荷的墨粉．

(4)明確靜電復(fù)印原理

通過圖示明確靜電復(fù)印機的工作原理與大家做的第一個實驗的原理是相同的，即首先在一個滾筒的表面制造出帶電荷的字跡(也叫靜電潛像)，然后與帶異號電荷的墨粉相接觸，墨粉就會把靜電潛像顯現(xiàn)出來．接下來把形成的墨粉像與表面帶正電荷的復(fù)印紙接觸，墨粉像就轉(zhuǎn)印到復(fù)印紙上，后續(xù)再經(jīng)過高溫，墨粉中的樹脂融化從而使墨粉牢固地附著在復(fù)印紙上．

(5)靜電復(fù)印機發(fā)明的啟示

學(xué)生閱讀美國發(fā)明家卡爾遜發(fā)明靜電復(fù)印機的故事，了解卡爾遜是如何利用光敏材料制造出靜電潛像，認識靜電復(fù)印技術(shù)是靜電知識的創(chuàng)新性應(yīng)用，靜電復(fù)印機的問世也結(jié)合了其他領(lǐng)域的知識與技術(shù)，使學(xué)生了解一項發(fā)明創(chuàng)造需要運用綜合的知識與技術(shù)，還要有鍥而不舍的精神和創(chuàng)新的意識．

4 小結(jié)

本研究發(fā)現(xiàn)可以用復(fù)印機墨粉和有機玻璃板進行靜電復(fù)印模擬實驗．當(dāng)用絲綢摩擦有機玻璃板后，有機玻璃板表面帶正電，復(fù)印機墨粉是帶負電荷的，正負電荷相吸引，墨粉將靜電潛像清晰地顯現(xiàn)出來．本實驗改進可以拉近靜電復(fù)印模擬實驗與真實靜電復(fù)印過程的距離，幫助學(xué)生更好地理解靜電及其應(yīng)用．此外，如果將實驗材料拓展為PP塑料板，則所進行的對比實驗?zāi)軌驇椭鷮W(xué)生關(guān)注摩擦起電及摩擦起電順序，認識到物質(zhì)表面因摩擦而帶靜電的原因是不同材料的組成與結(jié)構(gòu)不同，有的材料含有易失電子的基團，在與另一種材料摩擦?xí)r就會因失去電子而顯正性，而另一種物質(zhì)表面因帶有多余電子而顯負性．

本研究也設(shè)計了認識復(fù)印機原理與發(fā)明價值的教學(xué)活動，希望學(xué)生既認識到掌握基本科學(xué)原理的重要性，同時知道將科學(xué)原理用于發(fā)明創(chuàng)造還要有哪些思維和精神品格，培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)與創(chuàng)新的熱愛與追求．

1 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準.北京：人民教育出版社，2003

2 徐志琴.靜電復(fù)印的模擬演示.物理教師，2013(6): 47～48

3 王嘉年. 靜電復(fù)印. 小朋友，2003(Z1)：58～59

4 夏麗.一個非常規(guī)物理實驗引發(fā)的思考—— 模擬靜電復(fù)印. 中學(xué)物理教學(xué)參考，2012(4): 46～47

5 王立斌. 靜電潛像實驗的改進研究 . 物理教學(xué)，2014(8): 17～18

6 吳金成. 二次電子發(fā)射過程與固體材料靜電起電的理論研究：[碩士學(xué)位論文].廣州：華南理工大學(xué)，2013.25

2016-10-22)