陳泓宇 項浩原 郝 睿

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院 寧夏 銀川 750021)

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

1 設(shè)計靜電跑道建構(gòu)探究課堂

學生在日常生活中經(jīng)常接觸靜電，對靜電會有基本的認識.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、認識兩種電荷、電荷守恒定律與元電荷等知識點.為構(gòu)建探究型的課堂，必須借助能引起學生強烈興趣的實驗作為課堂的開端，然后作為探究的材料來建構(gòu)課堂探究.以下是本文設(shè)計靜電跑道實驗的演示、原理、制作和應(yīng)用.

1.1 靜電跑道實驗演示

實驗器材：靜電魔法棒，靜電小球，圓環(huán)鋁箔泡沫軌道，導線.

演示步驟：

第一步，將靜電小球放在靜電導軌上.

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，實驗結(jié)束，斷開電動機開關(guān)，對實驗裝置進行安全放電.

實驗現(xiàn)象：靜電魔法棒接觸鋁箔錫紙時，靜電小球會沿著圓環(huán)軌道持續(xù)向前運動，如圖1所示.

圖1 靜電跑道實驗

1.2 靜電跑道實驗原理

(1)靜電魔法棒

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

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，錫紙因接觸起電帶有正電荷；同時，軌道內(nèi)圈與大地相連的錫紙因感應(yīng)起電而帶有負電荷；最終，軌道底部錫紙上形成正負電荷的間隔分布，為靜電小球的持續(xù)運動做好準備.

圖3 鋁箔錫紙帶電示意圖

(3)運動的靜電小球

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，小球會向前運動.在運動過程中，由于小球帶正電荷，相鄰錫紙帶負電荷，小球還會受到異種電荷相互吸引的作用，直至運動到相鄰錫紙上并與其接觸.此時，小球因再次接觸起電而帶有負電荷，在同種(負)電荷相互排斥作用下，小球繼續(xù)出發(fā)運動到第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)運動，從而形成靜電跑道現(xiàn)象，如圖4所示.

圖4 小球在圓環(huán)軌道運動

1.3 靜電跑道實驗制作

(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)過反復實驗，小球的半徑大小在1～1.4 cm最合適.半徑太大，小球會因質(zhì)量過大而無法在跑道上運動；半徑太小，小球就不會越過相鄰鋁箔錫紙中線而排被斥回來，導致小球在兩片鋁箔錫紙之間往復運動.

(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，小球會因接觸不充分而使帶電荷量不足；鋁箔錫紙大于1.5 cm時，小球就不會越過下一片鋁箔錫紙而被排斥回來，導致小球在兩片鋁箔錫紙之間往復運動.

(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，電動機導線，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、電動機導線、金屬片在塑料管內(nèi)連接起來.電動機接在下滾輪上，然后將電動機、開關(guān)與干電池串聯(lián)在一起；自激梳與電動機開關(guān)的塑料外緣連接.

1.4 靜電跑道實驗的課堂應(yīng)用

教師在教學的時候可借助本實驗激發(fā)學生對不同起電過程的思考，并在實驗過程中調(diào)動學習興趣，培養(yǎng)探究意識.基于 “為什么小球可以在跑道中運動？”“是什么力推動了它？”等問題來驅(qū)動學生們思考，再用輔助儀器來檢測小球與軌道的電性，進而將接觸起電、感應(yīng)起電與兩種電荷及其相互作用生動形象地展示給學生，從而幫助學生更好地實現(xiàn)知識建構(gòu).借助自制教具，教師可以打造一個探究性的課堂，把靜電跑道變成一個探究課題，探究小球向前運動的原因，從而讓學生認識到“什么是科學”[2].從而體現(xiàn)課程標準中對應(yīng)的“物理學是基于人類有意識的探究而形成的對自然現(xiàn)象的描述與解釋，并需要接受實踐的檢驗[3]”的科學本質(zhì)觀.

2 演示懸浮靜電泡化抽象理論為形象認知

電學知識大多為抽象知識，生活中難以直接地觀察，學生缺少形象的認知.為學生加深對電學知識的理解，設(shè)計了懸浮靜電泡實驗，讓學生形象地認識電荷之間的相互作用、物體的起電方式.在實驗中，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，以實現(xiàn)不同的實驗?zāi)康?本實驗使用硬殼紙作為接觸棒，以方便實驗現(xiàn)象的展示.以下是實驗的演示、原理、制作和應(yīng)用.

2.1 懸浮靜電泡實驗演示

實驗器材：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，泡泡因為靜電力作用(同種電荷相斥)離開錫紙吸管，此時，將帶有接觸棒的靜電魔法棒快速移動到泡泡底部，注意不要觸碰到靜電泡以防止將其弄破.

實驗現(xiàn)象：泡泡剛形成時沒有離開吸管；“充電”20～30 s后，泡泡離開錫紙管；當靜電魔法棒移動到泡泡下端時，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 懸浮靜電泡實驗原理

靜電魔法棒的實驗原理同1.2(1)，在電動機作用下，魔法棒和接觸棒帶正電荷.當帶有泡泡的錫紙管和魔法棒接觸時，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，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.注意在實驗過程中，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，不易組織實驗.為了增加泡泡的液膜強度，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.在實驗過程中，可以持久懸浮于空中，便于觀察和組織實驗.

圖8 加速溶解白糖過程

2.4 懸浮靜電泡實驗輔助課堂思路與總結(jié)

吹泡泡是學生童年的快樂，所以大多數(shù)學生都會對本實驗產(chǎn)生濃厚的興趣，希望能知道泡泡懸浮的奧秘.因此本實驗可以讓教師更容易引導學生進入探究課堂.通過懸浮靜電泡實驗讓學生直觀地體會到接觸起電與同種電荷相斥的物理原理.讓學生自主發(fā)現(xiàn)物理問題并解釋物理問題，從而在認知結(jié)構(gòu)中建構(gòu)電學知識.在此過程中給學生帶來的驚奇和對原理解釋的頓悟，使學生領(lǐng)會科學必須建立在真實的證據(jù)之上的科學本質(zhì).同時實驗也可以作為一個項目式的探究學習，借助查閱資料和輔助實驗來探究泡泡懸浮的原因，以及靜電魔法棒的實驗原理，從而讓學生親身體驗科學探究過程，促進科學素養(yǎng)的養(yǎng)成.

3 總結(jié)

創(chuàng)新制作“靜電跑道”與“懸浮靜電泡”實驗教具，為教師教學提供教具支持.本文的兩個實驗可以安排在課堂引入環(huán)節(jié)，也可以作為探究實驗或項目化學習方案執(zhí)行.創(chuàng)意實驗不僅可以豐富課堂活動，拉近師生距離，還可以提升學生學習物理的興趣，減輕學生學習理論的阻力，從而提高課堂效能.直觀的實驗現(xiàn)象可以幫助學生實現(xiàn)知識內(nèi)化，實驗現(xiàn)象和原理的解釋有助于培養(yǎng)學生的科學思維，進而促進學生物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成.