徐冰艷 蘇煬 徐嘉君 楊曉梅

摘? ?要：立足于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，以摩擦納米發(fā)電機(jī)為載體自組裝實(shí)驗(yàn)儀，將二極管、三極管、整流器等電學(xué)元件進(jìn)行組裝，設(shè)置三個(gè)板塊分別展示交流電演示實(shí)驗(yàn)、傳感器實(shí)驗(yàn)、摩擦充電實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，提高學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)技能，為中學(xué)教師進(jìn)行摩擦起電、交變電流、電容器充放電、傳感器等內(nèi)容的教學(xué)提供創(chuàng)新教具和思路。

關(guān)鍵詞：自制教具；摩擦起電；交流電演示；電容器充放電

高中物理“電荷”小節(jié)的課標(biāo)要求是“通過實(shí)驗(yàn)，了解靜電現(xiàn)象[ 1 ]”。摩擦起電是中學(xué)電學(xué)的開端，且因?yàn)槠鋵?duì)摩擦界面的高度靈敏性而被廣泛研究[ 2 ]，但由于教具匱乏等原因，學(xué)生對(duì)摩擦起電缺乏足夠認(rèn)識(shí)。本實(shí)驗(yàn)儀設(shè)置三個(gè)實(shí)驗(yàn)板塊讓學(xué)生直觀地看到摩擦起電現(xiàn)象，體會(huì)科學(xué)研究方法，并基于所涉及的電學(xué)元件特性和原理，為相對(duì)應(yīng)內(nèi)容的教學(xué)提供創(chuàng)新思路和視角。

1? 實(shí)驗(yàn)儀原理及設(shè)計(jì)

1.1? 摩擦納米發(fā)電機(jī)發(fā)電原理

本實(shí)驗(yàn)儀制作摩擦納米發(fā)電機(jī)的材料有：銅箔，聚四氟乙烯薄膜和PET薄膜各一片，薄底板兩塊，導(dǎo)線兩根。將銅箔在聚四氟乙烯薄膜、PET薄膜表粘黏并連接導(dǎo)線，如圖1。

摩擦納米發(fā)電機(jī)的核心原理是摩擦起電，利用納米材料（聚四氟乙烯薄膜和PET薄膜）大幅度提高摩擦起電效應(yīng)。聚四氟乙烯薄膜和PET薄膜分別是易得電子、易失電子材料。當(dāng)兩者正向摩擦?xí)r，聚四氟乙烯薄膜得到PET薄膜失去的電子，兩者分別帶上正負(fù)電，分別在薄膜表面安裝銅箔作為電極并用導(dǎo)線相連，電子通過電極沿著導(dǎo)線定向移動(dòng)在外電路形成電流，隨后達(dá)到靜電平衡；當(dāng)兩者反方向摩擦?xí)r，電極上的電子將會(huì)反向移動(dòng)以保持靜電平衡，從而形成反向電流，于是在外電路中形成方向周期性變化的交流電[ 3 ]。

1.2? 實(shí)驗(yàn)儀元件

1.3? 實(shí)驗(yàn)儀裝置圖

本實(shí)驗(yàn)儀分為三個(gè)模塊，即用三塊單獨(dú)的泡沫板分別展示三個(gè)實(shí)驗(yàn)，再將其用可活動(dòng)的合頁粘貼，讓實(shí)驗(yàn)儀既可以平鋪成一整塊實(shí)驗(yàn)板如圖2，又可以組合成三棱柱形狀。同時(shí)在板下放置一個(gè)可旋轉(zhuǎn)托盤，使其可以靈活旋轉(zhuǎn)如圖3。

2 實(shí)驗(yàn)儀的使用

2.1? 實(shí)驗(yàn)1：交流電演示實(shí)驗(yàn)

2.1.1? 實(shí)驗(yàn)原理

發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦?，接上正向電壓后才?huì)發(fā)光；摩擦起電產(chǎn)生的是交流電，即外電路中電流方向正負(fù)交替；將兩片發(fā)光二極管燈片（由若干發(fā)光二極管串聯(lián)并固定組成）首尾相連并分別與摩擦納米發(fā)電機(jī)串聯(lián)構(gòu)成回路，電路圖如圖4。

2.1.2? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

閉合開關(guān)，摩擦兩塊薄膜板時(shí)兩片發(fā)光二極管燈片交替發(fā)光如圖5。

2.1.3? 實(shí)驗(yàn)過程

（1）檢查實(shí)驗(yàn)1電路后閉合開關(guān)，摩擦兩塊薄膜板，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行安全放電。

2.2? 實(shí)驗(yàn)2：傳感器實(shí)驗(yàn)

2.2.1實(shí)驗(yàn)原理

摩擦起電具有高壓低流的輸出特性，據(jù)此可制作傳感器[ 4 ]，三極管有放大微小電流的作用，將三極管B端和E端相連構(gòu)成二級(jí)放大電路，剩余的B、E端和摩擦納米發(fā)電機(jī)串聯(lián)成一個(gè)分路，C、E端分別接入直流電源的正負(fù)極，并與LED燈帶串聯(lián)形成另一個(gè)分路，達(dá)到利用三極管以摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的小電流控制直流電源大電流的效果，實(shí)驗(yàn)時(shí)摩擦納米發(fā)電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)傳感器，電路圖如圖6。

2.2.2實(shí)驗(yàn)過程

（1）檢查實(shí)驗(yàn)2電路后閉合開關(guān)S1、S2，摩擦兩塊薄膜板，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行安全放電。

2.2.3實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

閉合開關(guān)，摩擦兩塊發(fā)電機(jī)薄膜板時(shí)LED燈帶閃爍且亮度很高如圖7，體現(xiàn)了摩擦納米發(fā)電機(jī)作為傳感器的靈敏。

2.3? 實(shí)驗(yàn)3：摩擦充電實(shí)驗(yàn)

2.3.1實(shí)驗(yàn)原理

整流器能將交流電輸出為直流電。通過整流器將交流電轉(zhuǎn)化為直流電給電容器充電后對(duì)LED燈帶放電，將整流器、電容器及發(fā)光二極管燈帶并聯(lián)構(gòu)成回路，電路圖如圖8。

2.3.2實(shí)驗(yàn)過程

（1）檢查實(shí)驗(yàn)3電路后閉合開關(guān)S1，摩擦兩塊薄膜板，給電容充電；

（2）數(shù)次摩擦后，斷開開關(guān)S1，閉合開關(guān)S2讓電容放電，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行安全放電。

2.3.3實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在數(shù)次摩擦兩片薄膜板后閉合開關(guān)S2，LED燈帶瞬間亮起后熄滅如圖9。

3? 中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)用

以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)均可作為引入或探究實(shí)驗(yàn)在教學(xué)“摩擦起電”和“靜電的防止與利用”時(shí)應(yīng)用，如通過實(shí)驗(yàn)1引入新課，提出“為何摩擦兩塊薄膜板，發(fā)光二級(jí)管燈片就會(huì)發(fā)光？”等問題來驅(qū)動(dòng)學(xué)生思考，提高課堂的趣味性；實(shí)驗(yàn)2或3作為探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感受摩擦產(chǎn)電能的大小、體會(huì)靜電應(yīng)用例子，提高學(xué)生探究物理現(xiàn)象的主觀能動(dòng)性，促進(jìn)其深度學(xué)習(xí)。

在“能源與可持續(xù)發(fā)展”一節(jié)中三個(gè)實(shí)驗(yàn)也可以作為能源利用與發(fā)展的典型案例，讓學(xué)生感知科技和時(shí)代進(jìn)步下的生活便利，提高學(xué)生節(jié)約現(xiàn)有能源、探索其他能源的意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和對(duì)未來社會(huì)科技發(fā)展的責(zé)任感。

在進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)中涉及的電學(xué)元件特性教學(xué)時(shí)，也可借助本實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行輔助教學(xué)，如展示發(fā)光二級(jí)管的單向?qū)щ娦?、?yàn)證三極管放大微小電流的作用等。加深學(xué)生對(duì)常用電學(xué)元件的了解，在教學(xué)中滲透科學(xué)的本質(zhì)。

此外，三個(gè)實(shí)驗(yàn)還能單獨(dú)地應(yīng)用在不同教學(xué)情境中：（1）在“交變電流”一節(jié)中通過實(shí)驗(yàn)1發(fā)光二極管燈片的交替閃爍，直觀地向?qū)W生展示交流電方向周期性變化的特性。（2）在“認(rèn)識(shí)傳感器”一節(jié)中引入實(shí)驗(yàn)2作為傳感器的例子，讓學(xué)生初步了解傳感器的概念與作用。（3）在“電容器的電容”一節(jié)中通過實(shí)驗(yàn)3讓學(xué)生觀察電容器充、放電現(xiàn)象。

4? 實(shí)驗(yàn)儀的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）教學(xué)目的上，本實(shí)驗(yàn)儀將摩擦納米發(fā)電機(jī)引入課堂，加深學(xué)生對(duì)摩擦起電的理解，體會(huì)生活中利用靜電的例子，從而提高學(xué)生的知識(shí)層次，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的高階思維。

（2）原理及形態(tài)上，本實(shí)驗(yàn)儀將摩擦起電和二極管、三極管、整流器等微電子元件相結(jié)合，根據(jù)其不同的原理構(gòu)建了三個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn)，組裝形成了一個(gè)綜合性的電學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，并具有兩個(gè)形態(tài)：自組裝平鋪形態(tài)和可旋轉(zhuǎn)形態(tài)。平鋪形態(tài)便于學(xué)生對(duì)儀器和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的整體觀察及對(duì)比，而可旋轉(zhuǎn)形態(tài)則便于儀器的攜帶和單獨(dú)進(jìn)行分實(shí)驗(yàn)的操作與觀察。

（3）教學(xué)應(yīng)用上，本自組裝實(shí)驗(yàn)儀整體可應(yīng)用于靜電和能源發(fā)展方面的教學(xué)，分實(shí)驗(yàn)?zāi)芊謩e應(yīng)用于不同的教學(xué)情境；并且相關(guān)電學(xué)元件特性也能借助本實(shí)驗(yàn)儀輔助教學(xué)，真正實(shí)現(xiàn)了一儀多用，滿足了中學(xué)物理教學(xué)情境多樣化的需求。

5? 結(jié)束語

本文闡述了自組裝摩擦納米發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)儀的原理、構(gòu)造、使用方法以及在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用，完成了三個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn)。教師可根據(jù)教學(xué)需求，利用該實(shí)驗(yàn)儀在課堂中有針對(duì)性地進(jìn)行演示或探究實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維的培養(yǎng)和方法的指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)本質(zhì)，增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題的能力，從而促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展。

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