高中物理靜電實(shí)驗(yàn)的分析與改進(jìn)

倪靜怡

摘? ?要：電學(xué)是高中物理的重要組成部分，該部分知識容量大、定理多、抽象度高，是高中物理教學(xué)的難點(diǎn)。靜電實(shí)驗(yàn)則因其形象、生動、直觀等特點(diǎn)，能較好地突破難點(diǎn)。但靜電實(shí)驗(yàn)由于受到絕緣性、環(huán)境等多方面因素的影響，成功率較低。文章闡述了靜電實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，分析影響靜電實(shí)驗(yàn)成敗的因素，并提出了部分實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：靜電實(shí)驗(yàn)；漏電；絕緣

早在公元前600年的古希臘，人們便開始關(guān)注靜電現(xiàn)象。16世紀(jì)，英國物理學(xué)家、醫(yī)學(xué)家吉爾伯特是第一個以較完善體系研究靜電的人，在他寫成的《倫磁》中，敘述了對靜電現(xiàn)象的研究內(nèi)容。18世紀(jì)中旬，美國物理學(xué)家富蘭克進(jìn)行了著名的“風(fēng)箏-雷電”試驗(yàn)，解釋了閃電的成因。18世紀(jì)后期，貝內(nèi)特發(fā)明了驗(yàn)電器，近似地測量出物體所帶的電量。此外，庫侖利用其設(shè)計的庫侖扭秤推導(dǎo)出了庫侖定律[ 1 ]。之后，大量的物理學(xué)家利用扭秤和驗(yàn)電器，從定性的靜電現(xiàn)象研究轉(zhuǎn)向定量的研究。從此，人們在對各種自然現(xiàn)象的觀察以及研究總結(jié)后，對靜電實(shí)驗(yàn)有了一定水平上的認(rèn)知了解。

電學(xué)是高中物理的教學(xué)難點(diǎn)，該部分知識容量大、定理多、抽象度高，而靜電實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)恰恰在于能將抽象的電學(xué)知識形象化，降低學(xué)習(xí)難度。可惜靜電實(shí)驗(yàn)受到了各種因素的影響，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定。為此，本文分析了靜電實(shí)驗(yàn)的失敗原因，并嘗試對其加以改進(jìn)，希望靜電實(shí)驗(yàn)?zāi)茉诮虒W(xué)中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

1? 靜電實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)及影響實(shí)驗(yàn)成敗的因素

靜電實(shí)驗(yàn)的基本特點(diǎn)是：電壓高電量少。實(shí)驗(yàn)室中最常見的摩擦起電都能產(chǎn)生上千伏的電壓，更不用說感應(yīng)起電機(jī)產(chǎn)生的電壓甚至高達(dá)5萬多伏。在高電壓的作用下，常見的絕緣體往往會變成導(dǎo)體，從而發(fā)生漏電現(xiàn)象，并且靜電實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的電荷量都很少，大多只有10-6 C，由于漏電現(xiàn)象，其產(chǎn)生的電荷很快便消失了[ 2 ]。

結(jié)合靜電實(shí)驗(yàn)“壓高量少”的特點(diǎn)，絕緣問題和漏電問題便成了決定靜電實(shí)驗(yàn)成敗的兩個關(guān)鍵點(diǎn)。

1.1? 絕緣性

靜電實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是：高電壓，小電荷。絕緣體在高壓下極易轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體，從而發(fā)生快速漏電現(xiàn)象。因此，材料的絕緣性是影響實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵因素。材料的絕緣性能首先與材料本身有關(guān)。另外，絕緣部件的老化，材料表層粘有水分、雜質(zhì)等也會在很大程度上影響材料的絕緣性能。筆者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，石蠟是一種絕緣性能好且不易吸附水分雜質(zhì)的絕緣材料，但其缺點(diǎn)在于天熱時容易變軟。為此，筆者將石蠟包裹于洗凈曬干的有機(jī)玻璃表面，便制成了硬度強(qiáng)、絕緣好且不被水浸潤的絕緣材料，用其作為支架、手柄，實(shí)驗(yàn)效果良好[ 3 ]。

1.2? 環(huán)境

靜電實(shí)驗(yàn)不同于其他實(shí)驗(yàn)，空氣中的濕度、溫度等環(huán)境條件也是決定靜電實(shí)驗(yàn)是否能成功的直接因素。一般情況下，在相對濕度大于70%，溫度高于40 ℃時，靜電實(shí)驗(yàn)的失敗率較高。因此，在進(jìn)行靜電實(shí)驗(yàn)前，可以通過日曬、烘烤、吹風(fēng)機(jī)、紅外線燈等工具保持其干燥度，需要注意的是不論用什么方法，儀器表面的溫度都不能超過50 ℃，從而防止儀器的老化[ 4 ]。另外，如果是晴天，還可以開窗通風(fēng)保證室內(nèi)空氣的干燥。

2? 靜電實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

結(jié)合靜電實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)以及影響因素，筆者對高中物理教學(xué)中的部分靜電實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，現(xiàn)舉例說明如下。

2.1? 摩擦起電實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

摩擦起電是人類最早發(fā)現(xiàn)的與電有關(guān)的現(xiàn)象，也是最為常見的起電方式之一。學(xué)生在初中時已經(jīng)學(xué)習(xí)過了摩擦起電，但對其內(nèi)部原理掌握得還不夠熟悉。在學(xué)習(xí)電學(xué)初期，給學(xué)生展示一些摩擦起電的實(shí)驗(yàn)，可以喚醒學(xué)生的記憶，減小學(xué)生對電學(xué)知識的畏懼感。

在中學(xué)課堂中，通常會用驗(yàn)電器去檢驗(yàn)?zāi)Σ梁蟮奈矬w是否帶電（如圖1）[ 5 ]，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象往往不太明顯甚至毫無現(xiàn)象。這是由于摩擦產(chǎn)生的電量少且在不夠干燥的天氣里易于流失。

那么，如何獲取較多電量呢？筆者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了兩種效果較好的起電材料：（1）準(zhǔn)備兩塊包裝用的白色泡沫塑料，其中一塊平整地包上尼龍布。摩擦后的兩塑料板，包尼龍布的帶正電，不包的帶負(fù)電。也可將尼龍布換成塑料膜，同樣與另一塊摩擦，包塑料膜的帶負(fù)電，不包的帶正電[ 6 ]。（2）光盤是性能良好的絕緣材料，用不掉毛的毛皮摩擦整個光盤，可以獲得較大電量，即使與手碰觸也不易漏電。值得注意的是：在做摩擦起電的實(shí)驗(yàn)時，材料間不宜多次往復(fù)摩擦，只需單向摩擦兩到三次即可，摩擦過后應(yīng)迅速分離。

另外，靜電計的漏電問題也是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不佳的另一因素。長期暴露在空氣中的靜電計表面往往附著有塵埃、水分等物質(zhì)，從而使其絕緣性減弱。除了在靜電計的底部墊上絕緣物質(zhì)防止外殼上的電量被大地中和，還需要防止指針與外殼連接處的絕緣塞的漏電現(xiàn)象。具體做法是：選用絕緣性能好的有機(jī)玻璃作為絕緣塞，并在外殼與絕緣塞之間熔上一層石蠟。經(jīng)過這樣處理的靜電計，即使遇上潮濕的天氣，漏電速度也大幅降低。此外，還可以使用驗(yàn)電筆中的氖泡代替靜電計。由于靜電實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的電壓遠(yuǎn)高于一般氖泡的起輝電壓（60 V），將氖泡的1個電極沿白色泡沫塑料或者光盤表面緩慢移動，在昏暗的房間內(nèi)會發(fā)出斷斷續(xù)續(xù)的閃光，并同時伴有噼里啪啦的放電聲[ 7 ]，能大大提高實(shí)驗(yàn)的趣味性。

成功的實(shí)驗(yàn)不僅能讓學(xué)生充分地認(rèn)識摩擦起電現(xiàn)象，還能夠讓學(xué)生從現(xiàn)象中催生新問題：摩擦是如何讓物體帶上電荷的？學(xué)生的思維由此而展開。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生學(xué)會了觀察和思考，學(xué)會了應(yīng)用知識去解釋生產(chǎn)和生活中的現(xiàn)象，培養(yǎng)了學(xué)生熱愛科學(xué)、勇于探索的精神。

2.2? 感應(yīng)起電實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

感應(yīng)起電是使物體帶電的另一種常見方法。學(xué)生在生活中接觸過感應(yīng)起電，比如：帶電物體吸引通草小球等，但由于未對現(xiàn)象進(jìn)行深入剖析，學(xué)生并不知道這里面包含有感應(yīng)起電的知識。不僅如此，對于感應(yīng)起電，還需要深入剖析接地、兩導(dǎo)體分開、移走外部帶電體等情況，學(xué)生常常覺得抽象難懂。因此，需要通過實(shí)驗(yàn)為學(xué)生累積感性素材，化解難度。

圖2是人教版教材所提供的感應(yīng)起電的實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫匮菔靖袘?yīng)起電，但由于教室內(nèi)的學(xué)生多，呼出的水汽多，空氣濕度大，金屬箔片上的電荷難以聚集。因此，當(dāng)帶電體C靠近枕形導(dǎo)體時，金屬箔片張開的角度不大。A和B分開后，金屬箔片更是很快閉合，致使后續(xù)實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行。

為了提高實(shí)驗(yàn)的成功率，筆者對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了以下改進(jìn)：（1）增加帶電體C的電量：最初的想法是將感應(yīng)起電機(jī)與帶電體C相連并讓C靠近導(dǎo)體A，但起電機(jī)的高電壓容易使周圍的空氣被擊穿，使C向空氣放電，從而使導(dǎo)體A和B都帶上正電。因此，必須選取帶電量大且電壓較低的帶電體，為此筆者選用了PVC管，通過摩擦起電的方式使其帶電，以此來替代帶電體C。（2）減小金屬箔片的漏電速度：首先，用金屬易拉罐代替枕形導(dǎo)體A和B，以此來減小由于枕形導(dǎo)體表面不夠光滑引起的放電現(xiàn)象。接著，取下驗(yàn)電器頂端的金屬球，換上法拉第圓桶，讓法拉第圓桶與易拉罐的底面充分接觸并用膠槍將其固定（如圖3）。由于驗(yàn)電器的外圍存有玻璃，使驗(yàn)電器內(nèi)的金屬片和潮濕的空氣隔離開來，金屬片的漏電速度大大降低，張角明顯。

通過對實(shí)驗(yàn)裝置的合理優(yōu)化，學(xué)生經(jīng)歷了感應(yīng)起電的探究過程，透過現(xiàn)象從微觀角度理解了感應(yīng)起電的內(nèi)在作用規(guī)律，揭開了感應(yīng)起電的神秘面紗。良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠化解知識上的難點(diǎn)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識的內(nèi)化，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，促進(jìn)核心素養(yǎng)的形成。

2.3? 平行板電容器實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

電容器是電學(xué)的重要儀器，廣泛地應(yīng)用于各種電子元件中。雖然與學(xué)生的生活緊密相關(guān)，但由于它大多存在于電子元件內(nèi)部，學(xué)生在生活中很少與之直接接觸，對其功能與性質(zhì)都較為生疏。因此，實(shí)驗(yàn)是學(xué)生了解電容器，探究其特性的必備手段。

圖4為定性探究平行板電容器的電容值C與哪些因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)也是極難成功的一個靜電實(shí)驗(yàn)，其原因在于：金屬板的漏電現(xiàn)象、尖端放電現(xiàn)象和靜電計的絕緣性能不佳。教科書中將該實(shí)驗(yàn)安排在得出電容的定義式之后，可以讓學(xué)生利用剛學(xué)過的知識去分析和解決實(shí)際問題。既探究出了新知識，又加深了對舊知識的理解。為此，筆者采用了教材中的實(shí)驗(yàn)方案，并對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了以下改進(jìn)：

（1）為防止尖端放電，該實(shí)驗(yàn)選用兩圓形金屬板，并用塑膠包邊，膠條包在金屬板周圍（留出一小口用于固定導(dǎo)線），再將膠條用透明膠帶固定好。實(shí)驗(yàn)之前，用吹風(fēng)機(jī)將金屬板吹干。對于極板下面的絕緣支撐物，洗凈烘干后用石蠟包裹表面，減慢金屬板的放電速度。該實(shí)驗(yàn)中，用來固定導(dǎo)線的鱷魚夾的尖端放電現(xiàn)象也是影響實(shí)驗(yàn)效果的重要因素。為此，可用小圓形的強(qiáng)磁鐵代替鱷魚夾，將導(dǎo)線壓在留出的小口處。

（2）該實(shí)驗(yàn)中，感應(yīng)起電機(jī)使靜電計的兩極間帶上了高壓，靜電計的絕緣性能大大降低。實(shí)驗(yàn)前必須對靜電計的橡皮塞按"摩擦起電"實(shí)驗(yàn)中提供的方法加以處理。

（3）在研究電容值C與介電常數(shù)ε的關(guān)系時，應(yīng)先將兩極板間的距離調(diào)整至一適當(dāng)值（距離太小介質(zhì)插入時容易碰觸到極板，距離太大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不太明顯）。大量實(shí)驗(yàn)表明，插入介質(zhì)前，兩極板間的距離d=6 cm效果較好。對于實(shí)驗(yàn)中使用的介質(zhì)，可以采用較厚的塑料板，并使塑料板與兩極板平行。

（4）在研究電容值C與兩極板間距d的關(guān)系時，為了保證金屬板能平行移動，可將兩極板安于軌道上，將電容器的一極板相對于另一極板移動適當(dāng)?shù)木嚯x，移動時應(yīng)迅速。

課堂上，學(xué)生像科學(xué)家一樣進(jìn)行探索，通過觀察、實(shí)驗(yàn)等方法獲取知識，培養(yǎng)了觀察、分析、歸納的能力，學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力都得到了鍛煉。

總之，靜電實(shí)驗(yàn)因其生動、直觀等特點(diǎn)，將抽象的電學(xué)知識形象化，不但降低了教學(xué)難點(diǎn)，還激發(fā)了學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維能力。因此，靜電實(shí)驗(yàn)是電學(xué)的教學(xué)重點(diǎn)，但其受到絕緣性和環(huán)境因素的影響，又是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的最大難點(diǎn)。筆者根據(jù)平時的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對影響靜電實(shí)驗(yàn)成敗的因素加以分析，并提出改進(jìn)方案。物理教師應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，大膽創(chuàng)新，使電學(xué)實(shí)驗(yàn)成為課堂教學(xué)中的一大亮點(diǎn)。

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