尖端放電演示儀器的設(shè)計(jì)制作

林 豐

（1.海南省文昌中學(xué)，海南 文昌 571300；2.海南省教育研究培訓(xùn)院，海南 ?？?571100）

在人教版物理必修第3冊(cè)（2019年版）“靜電的防止與利用”一節(jié)中，尖端放電是一種非常重要的靜電現(xiàn)象，尖端放電有兩種現(xiàn)象：強(qiáng)烈放電現(xiàn)象和微弱放電現(xiàn)象.強(qiáng)烈的尖端放電現(xiàn)象伴有強(qiáng)烈的發(fā)光和聲響，現(xiàn)象較為明顯.在筆者任教學(xué)校，實(shí)驗(yàn)室配有專門的演示儀器.微弱的尖端放電現(xiàn)象，放電過程較為緩和，放電現(xiàn)象不明顯，甚至難以察覺.實(shí)驗(yàn)室缺乏相應(yīng)的演示儀器，教師很容易陷入以文字、圖片和視頻為主的枯燥講解，學(xué)生探究的欲望沒有得到有效激發(fā)，課堂教學(xué)的效果會(huì)大打折扣.這不利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展.

教師自制教學(xué)用具是解決上述問題的一條有效途徑.在技術(shù)層面，3D打印是一種以三維數(shù)字形式立體構(gòu)造物理對(duì)象的快速成型技術(shù).筆者通過3D打印技術(shù)，并結(jié)合生活中的物品制作了尖端放電演示儀器，呈現(xiàn)生動(dòng)直觀的靜電現(xiàn)象，創(chuàng)設(shè)豐富的物理情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，讓學(xué)生在特定的物理情境下思考問題并解決問題.這有利于提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，具體介紹如下.

1 設(shè)計(jì)思路

演示儀基于尖端放電原理制作而成，設(shè)計(jì)思路如下：通過高壓靜電起電器讓導(dǎo)體尖端電極帶上大量電荷，在導(dǎo)體尖端周圍的強(qiáng)電場(chǎng)作用下使空氣電離，尖端持續(xù)向空氣釋放電荷，發(fā)生微弱的放電現(xiàn)象.以靜電力驅(qū)動(dòng)風(fēng)車輪和礦泉水瓶，間接表明微弱尖端放電現(xiàn)象的存在.讓學(xué)生在特定的物理情境中構(gòu)建物理知識(shí)，發(fā)展科學(xué)思維.通過思維活動(dòng)促進(jìn)學(xué)生形成有關(guān)于靜電場(chǎng)的物理觀念，從而提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

2 制作材料與方法

2.1 制作材料

3D打印機(jī)打印圓盤形支架和錐形支架，鋁箔紙1卷，高壓靜電起電器，礦泉水瓶，鐵釘，開關(guān)和導(dǎo)線若干.

2.2 制作方法

尖端放電演示由兩部分演示實(shí)驗(yàn)組成.第一部分為“靜電驅(qū)動(dòng)風(fēng)車輪旋轉(zhuǎn)”演示實(shí)驗(yàn)，制作方法如下.錐形支架由3D打印機(jī)制作，風(fēng)車的扇葉用鋁箔紙裁制成，扇葉的尾端呈尖銳形狀，將扇葉固定在鐵釘上插入錐形支架，用鐵釘作為風(fēng)車輪的轉(zhuǎn)軸，即完成第一部分實(shí)驗(yàn)的制作.實(shí)物圖如圖1所示，簡(jiǎn)圖如圖2所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

圖2 實(shí)驗(yàn)示意圖

第二部分為“靜電驅(qū)動(dòng)礦泉水瓶旋轉(zhuǎn)”演示實(shí)驗(yàn).在空礦泉水瓶表面粘上鋁箔條，將鐵條穿過礦泉水瓶，用鐵條作為整個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)軸，鐵條的一端插在3D打印的圓盤底座上，另一端固定在支架上的磁鐵處，利用磁鐵向上吸引鐵條，減小旋轉(zhuǎn)過程中鐵條與底座之間的摩擦阻力.在底座支架上豎起兩個(gè)尖端電極，使尖端電極對(duì)準(zhǔn)礦泉水瓶上鋁箔條，即完成第二部分實(shí)驗(yàn)的制作.實(shí)物圖如圖3所示，示意圖如圖4所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

圖4 實(shí)驗(yàn)示意圖

3 尖端放電演示儀器在教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 課堂實(shí)驗(yàn)演示，顯化物理現(xiàn)象

3.1.1 演示實(shí)驗(yàn)1——靜電驅(qū)動(dòng)風(fēng)車輪旋轉(zhuǎn)

將風(fēng)車轉(zhuǎn)軸處的接線柱與高壓靜電起電器一端電極連接，高壓靜電起電器的另一端電極接地.通電前，風(fēng)車輪處于靜止?fàn)顟B(tài)（如圖5所示）.高壓靜電起電器通電后，觀察到原來靜止的風(fēng)車輪慢慢旋轉(zhuǎn)起來（如圖6所示）.

圖5 通電前

圖6 通電后

3.1.2 演示實(shí)驗(yàn)2——靜電驅(qū)動(dòng)礦泉水瓶旋轉(zhuǎn)

用導(dǎo)線把尖端電極和高壓靜電起電器相連.通電前貼有鋁箔條的礦泉水瓶處于靜止?fàn)顟B(tài)（如圖7所示）.高壓靜電起電器通電后，觀察到礦泉水瓶開始轉(zhuǎn)動(dòng)起來（如圖8所示）.

圖7 通電前

圖8 通電后

3.2 定性分析實(shí)驗(yàn)原理，促進(jìn)物理觀念形成

高壓靜電起電器通電后，大量的電荷聚集于尖狀電極，使得電極周圍空間存在非常強(qiáng)的電場(chǎng).在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下導(dǎo)體尖端周圍的空氣發(fā)生電離，空氣變成導(dǎo)體，電荷不斷地從導(dǎo)體尖端釋放到空氣中，發(fā)生微弱的尖端放電現(xiàn)象.

在演示實(shí)驗(yàn)1中，在扇葉尖端處發(fā)生微弱放電現(xiàn)象，尖端向空氣不斷地釋放電荷.由于釋放的電荷與尖端上的電荷電性相同，扇葉在靜電斥力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)起來.

在演示實(shí)驗(yàn)2中，在尖狀電極處發(fā)生微弱放電現(xiàn)象，導(dǎo)體尖端上的電荷不斷地從尖端釋放到空氣中，使得礦泉水瓶上的鋁箔條帶上與鄰近電極相同電性的電荷.由于同種電荷相互排斥，礦泉水瓶在靜電斥力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)起來.

微弱的尖端放電現(xiàn)象是一種很緩和的放電現(xiàn)象.上述兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)均以生動(dòng)、直觀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象間接顯化了微弱放電這一隱性的物理現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明給尖端電極帶上靜電后，存在著微弱的尖端放電現(xiàn)象.

4 小結(jié)

（1）自制尖端放電演示儀器實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，演示效果直觀、生動(dòng).

（2）3D打印為師生開發(fā)自制教具提供了技術(shù)基礎(chǔ)，有利于提高師生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力.

（3）教師通過自制演示儀器，有效激發(fā)學(xué)生探索未知事物的欲望，學(xué)生通過建構(gòu)物理模型，經(jīng)過科學(xué)推理完成了知識(shí)的應(yīng)用遷移，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展.