程承平 徐展

摘? 要：物理是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一門學(xué)科。文章結(jié)合人教版高中物理選修3-1中“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”一課的系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和遇到的問(wèn)題，介紹高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)策略與改進(jìn)方法，實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本原則。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);靜電現(xiàn)象;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）12-0042-4

優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以全面加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)、物理原理的理解，通過(guò)實(shí)驗(yàn)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)記憶?！办o電現(xiàn)象的應(yīng)用”一課的關(guān)鍵就是做好實(shí)驗(yàn)，例如帶電導(dǎo)體電荷分布的特點(diǎn)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)是較深?yuàn)W的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以加深體會(huì)。下文按照課堂教學(xué)的順序?qū)Ρ竟?jié)課的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)展開論述（圖片1～10展示的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的十個(gè)視頻可掃描相應(yīng)二維碼觀看，1～4號(hào)二維碼如圖1所示）。

1? ? ?靜電現(xiàn)象的應(yīng)用中四類實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)與創(chuàng)新

1.1? ? 導(dǎo)體是等勢(shì)體的論證實(shí)驗(yàn)

圖2（1）是等勢(shì)體論證實(shí)驗(yàn)方案一，實(shí)驗(yàn)裝置：將兩個(gè)金屬易拉罐放在靜電感應(yīng)起電機(jī)兩放電叉間靠近金屬球的位置，但不接觸起電機(jī)，用導(dǎo)線將兩個(gè)易拉罐的拉環(huán)分別與靜電計(jì)的兩極相連[1]。實(shí)驗(yàn)操作與結(jié)論：轉(zhuǎn)動(dòng)起電機(jī)的手柄，當(dāng)兩易拉罐罐底靠在一起時(shí)，靜電計(jì)指針不張開，說(shuō)明兩易拉罐拉環(huán)連接處電勢(shì)相等;兩易拉罐分離時(shí)，靜電計(jì)指針張開，說(shuō)明拉環(huán)處電勢(shì)不相等，即可判定兩易拉罐沒(méi)有等勢(shì)的關(guān)系。注意事項(xiàng)及缺點(diǎn)分析：為使指針張開的現(xiàn)象明顯，應(yīng)注意兩易拉罐擺放方位及與感應(yīng)起電機(jī)的距離，距離太遠(yuǎn)，電場(chǎng)太弱，指針幾乎不張開，距離太近，又會(huì)導(dǎo)致起電機(jī)放電，實(shí)驗(yàn)效果也不好，在移動(dòng)易拉罐時(shí)需特別仔細(xì)。

圖2（2）是等勢(shì)體論證實(shí)驗(yàn)方案二，是在方案一的基礎(chǔ)上添加兩塊金屬板，用導(dǎo)線將兩金屬板分別接在起電機(jī)的兩個(gè)放電叉上，轉(zhuǎn)動(dòng)起電機(jī)手柄讓金屬板帶電，即可在兩板間較廣闊的區(qū)域形成較強(qiáng)的電場(chǎng)。優(yōu)點(diǎn)：較前一設(shè)計(jì)，產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)更大，現(xiàn)象更加明顯;易拉罐可放置的空間更廣，不容易觸碰起電機(jī)和金屬板而導(dǎo)致漏電，操作方便。

1.2? ? 導(dǎo)體上的電荷分布探究實(shí)驗(yàn)

圖3的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是探究導(dǎo)體電荷分布的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)裝置：用導(dǎo)線將水壺接在靜電感應(yīng)起電機(jī)的一個(gè)放電叉上。實(shí)驗(yàn)操作與結(jié)論一：轉(zhuǎn)動(dòng)起電機(jī)的手柄，讓水壺帶電，用帶有絕緣手柄的金屬球接觸水壺內(nèi)表面的任意一點(diǎn)，再去接觸靜電計(jì)金屬圓盤的一極，靜電計(jì)指針不張開，金屬球改觸水壺外表面的任意一點(diǎn)，靜電計(jì)指針張開，說(shuō)明了“電荷只分布在導(dǎo)體外表面，導(dǎo)體內(nèi)部?jī)綦姾蔀榱恪钡牡谝粋€(gè)特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)操作與結(jié)論二：轉(zhuǎn)動(dòng)起電機(jī)手柄，讓水壺帶電，用兩個(gè)相同的帶有絕緣手柄的金屬球分別同時(shí)接觸如圖3乙壺肚上的A處與壺嘴上的B處，再分別去接觸兩個(gè)相同的靜電計(jì)，發(fā)現(xiàn)兩靜電計(jì)指針都張開，重復(fù)接觸A、B處多次轉(zhuǎn)移電荷到兩靜電計(jì)上，可使兩靜電計(jì)指針張角一次次增大，現(xiàn)象越來(lái)越明顯。比較兩靜電計(jì)可發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)壺嘴處的靜電計(jì)指針張角更大，說(shuō)明了“導(dǎo)體尖端電荷密度大”的第二個(gè)特點(diǎn)。注意事項(xiàng)：實(shí)驗(yàn)中用到的帶有絕緣手柄的金屬球是從廢舊的感應(yīng)起電機(jī)上拆下的兩個(gè)放電叉（放電叉頂部有一小一大兩金屬球）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，放電叉?zhèn)鬟f電荷的效率比較高。

1.3? ? 尖端放電實(shí)驗(yàn)與模擬雷擊實(shí)驗(yàn)

圖4是尖端放電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置：將上、下兩金屬板接在電源（J1206型感應(yīng)線圈）的兩極上。如圖5所示，J1206型感應(yīng)線圈左側(cè)的“極性轉(zhuǎn)換”旋鈕有“+-”、“-+”、空擋，可調(diào)節(jié)兩放電針的正負(fù)極性或關(guān)閉電源，“高壓調(diào)節(jié)”旋鈕可調(diào)節(jié)電壓大小。用膠槍將一頂端為球體和一頂端尖銳的等長(zhǎng)金屬桿固定在下金屬板上。調(diào)節(jié)“高壓調(diào)節(jié)”旋鈕慢慢增大電壓，可以看到頂端尖銳的金屬桿先出現(xiàn)電火花，即尖端放電現(xiàn)象。調(diào)節(jié)電壓增大一定量時(shí)，頂端為球體的金屬桿才出現(xiàn)放電現(xiàn)象。

圖6甲是模擬雷擊現(xiàn)象，上金屬板看作一朵帶電的云，下金屬板看作大地。放在下金屬板上的小房子有三層，最里層和最外層是薄紙板，中間夾了一層錫箔紙，錫箔紙模擬建筑墻體中的鋼筋。調(diào)節(jié)“高壓調(diào)節(jié)”旋鈕慢慢增大電壓，可以看到小房子遭遇“雷擊”，且被雷擊的主要部位是房頂?shù)膬蓚€(gè)尖角。如何挽救小房子呢？學(xué)生受尖端放電實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，很容易想到在小房子旁邊放一尖端金屬。教師將一個(gè)高度低于房子的尖端金屬桿放在小房子旁邊，在電壓大小不變的前提下，尖端金屬桿把“雷電”引過(guò)去了，房子逃脫了厄運(yùn)。但是，繼續(xù)增大電壓，房子又開始遭遇“雷擊”，如何再次挽救小房子呢？部分學(xué)生能提出換一根更長(zhǎng)的金屬桿，這其實(shí)就是避雷針的原理。

注意事項(xiàng)：通常晴天空氣中正離子數(shù)多于負(fù)離子數(shù)。金屬尖端帶負(fù)電時(shí)，尖端附近有較多的正離子向尖端運(yùn)動(dòng)，更容易觸發(fā)尖端放電產(chǎn)生電火花，產(chǎn)生尖端放電所需的電壓更小。反之，若金屬尖端帶正電，尖端附近只有較少的負(fù)離子向尖端運(yùn)動(dòng)，較難觸發(fā)尖端放電，產(chǎn)生尖端放電所需的電壓更大。因此，晴天做尖端放電的實(shí)驗(yàn)時(shí)，建議讓尖端帶負(fù)電，在較小的電壓下就能產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)過(guò)程更安全。反之，在雷雨天氣負(fù)離子數(shù)多于正離子數(shù)，建議讓尖端帶正電。

1.4? ? 靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)

圖7是靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案一，實(shí)驗(yàn)裝置：如圖7甲將懸掛在支架下的泡沫靠近靜電感應(yīng)起電機(jī)放電叉上的金屬球，先用金屬籠罩住支架。實(shí)驗(yàn)操作：轉(zhuǎn)動(dòng)起電機(jī)的手柄，讓起電機(jī)放電叉帶電，可以看到泡沫保持靜止。如圖7乙再將金屬籠移開，泡沫飄向放電叉。注意事項(xiàng)及缺點(diǎn)分析：為了使泡沫受到足夠大的電場(chǎng)力，泡沫和放電叉距離應(yīng)盡可能近，但是太近又容易使放電叉和金屬籠之間產(chǎn)生電火花，起電機(jī)漏電，特別是在移開金屬籠時(shí)容易與放電叉接觸，起電機(jī)更容易漏電，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

圖8是靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案二，在方案一的基礎(chǔ)上添加兩塊金屬板，用導(dǎo)線將兩金屬板分別接在起電機(jī)的兩個(gè)放電叉上，轉(zhuǎn)動(dòng)起電機(jī)的手柄讓金屬板帶電，即可在兩板間較廣闊的區(qū)域形成較強(qiáng)的電場(chǎng)。優(yōu)點(diǎn)：較前一設(shè)計(jì)，產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)更大，現(xiàn)象比方案一明顯;懸掛泡沫的支架，金屬籠可放置或移動(dòng)的位置空間更大，有效解決方案一中的問(wèn)題?，F(xiàn)象規(guī)律分析：如圖8乙，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泡沫靠近右金屬板放置，泡沫會(huì)飄向右金屬板;反之，泡沫靠近左金屬板放置，泡沫會(huì)飄向左金屬板。考慮到這一現(xiàn)象規(guī)律，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，可將泡沫較為明顯地靠近其中一塊金屬板，教師可提前判定實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖9是靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案三，實(shí)驗(yàn)器材有電池版特斯拉線圈、氖泡燈、金屬網(wǎng)、透明塑料管。實(shí)驗(yàn)操作：如圖9甲打開特斯拉線圈的電源開關(guān)，使其在附近產(chǎn)生電場(chǎng)，將氖泡燈放在旁邊，氖泡燈發(fā)光;如圖9乙，將金屬網(wǎng)放在特斯拉線圈與氖泡燈中間，氖泡燈熄滅，證明了金屬網(wǎng)的屏蔽作用;如圖9丙，用透明塑料管罩住氖泡燈，可以看到氖泡燈發(fā)光，證明塑料無(wú)屏蔽作用。實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：氖泡燈放在空中，兩腳不接線卻能發(fā)光的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象容易吸引學(xué)生眼球，激發(fā)學(xué)生的好奇心，提高課堂效率;金屬網(wǎng)的屏蔽作用驗(yàn)證了實(shí)現(xiàn)靜電屏蔽的工具不一定要用密封的金屬容器，金屬籠甚至一小片金屬網(wǎng)也能起到屏蔽作用。

受設(shè)計(jì)方案三的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了如圖10所示的靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案四。實(shí)驗(yàn)裝置：用導(dǎo)線將兩金屬板分別接在起電機(jī)的兩個(gè)放電叉上，用膠槍將氖泡燈的一腳固定在支架上，將氖泡燈放在兩金屬板正中間。如圖10甲所示，轉(zhuǎn)動(dòng)起電機(jī)手柄，氖泡燈發(fā)光。如圖10乙所示，將一金屬網(wǎng)罩住氖泡燈，轉(zhuǎn)動(dòng)起電機(jī)手柄，氖泡燈不發(fā)光，證明了金屬網(wǎng)的靜電屏蔽作用。

方案四實(shí)驗(yàn)操作中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題：如圖10甲多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氖泡燈有時(shí)亮有時(shí)暗，甚至有一次實(shí)驗(yàn)?zāi)逝轃舨话l(fā)光。研究發(fā)現(xiàn)這與氖泡燈擺放的方位有關(guān)。將氖泡燈附近的電場(chǎng)近似看作勻強(qiáng)電場(chǎng)，據(jù)勻強(qiáng)電場(chǎng)中電勢(shì)差與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系式U=Ed可知，氖泡燈的兩腳應(yīng)盡量拉開，且兩腳端點(diǎn)的連線與兩平行金屬板垂直，使兩腳端點(diǎn)的連線沿場(chǎng)強(qiáng)方向的距離d盡量大，以使氖泡燈獲得的電壓盡可能大。兩腳端點(diǎn)的連線與兩平行金屬板平行或接近平行時(shí)，氖泡燈則不發(fā)光。方案四是在方案三的基礎(chǔ)上將特斯拉線圈換成了靜電感應(yīng)起電機(jī)和金屬板。學(xué)生對(duì)特斯拉線圈的工作原理并不熟悉，特斯拉線圈產(chǎn)生的電場(chǎng)也比較復(fù)雜，通常物理實(shí)驗(yàn)室也沒(méi)有特斯拉線圈。而方案四中的實(shí)驗(yàn)器材更加常見(jiàn)，金屬板間的電場(chǎng)比特斯拉線圈的電場(chǎng)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)原理更容易理解。

2? ? 結(jié)? ?語(yǔ)

2.1? ? 課前錄像，兩手準(zhǔn)備

有些物理實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單快捷，容易成功，可以利用“希沃傳屏”等APP在課堂上實(shí)時(shí)投屏實(shí)驗(yàn)過(guò)程。也有些物理實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間長(zhǎng)，甚至實(shí)驗(yàn)容易失敗，例如《靜電場(chǎng)》這一節(jié)的實(shí)驗(yàn)，容易受潮濕天氣的影響。教師可以做兩手準(zhǔn)備，即課前錄制好實(shí)驗(yàn)視頻，如果課上實(shí)驗(yàn)不成功，那么播放實(shí)驗(yàn)錄像是一種最好的補(bǔ)救方式。

2.2? ? 實(shí)驗(yàn)的意義和策略

在物理課程學(xué)習(xí)中，要結(jié)合物理學(xué)科的特點(diǎn)，充分地重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)讓學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、學(xué)會(huì)思考、學(xué)會(huì)想象、學(xué)會(huì)創(chuàng)新，培養(yǎng)觀察能力、發(fā)現(xiàn)并提出問(wèn)題的能力、分析推理能力等綜合能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王蓓.創(chuàng)新靜電演示實(shí)驗(yàn) 提高學(xué)生核心素養(yǎng)——以“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”教學(xué)為例[J].物理教學(xué)，2017，39（11）：23-25.

[2]陳浩.準(zhǔn)確定位實(shí)驗(yàn)教育價(jià)值 提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性[J].中學(xué)物理，2012，30（14）：1-3.

（欄目編輯? ? 王柏廬）