自制综合创新教具突破静电教学重点*

陈泓宇 项浩原 郝 睿

(宁夏大学物理与电子电气工程学院 宁夏 银川 750021)

教具是教师与学生在课堂中开展学习和探究的重要材料，它不仅能丰富课堂活动，增加课堂趣味性，还可以帮助学生建构知识并促进学生探究意识的养成.借助课堂中物理实验传授物理知识和培养学生核心素养是物理教学中的重要手段.培养学生的核心素养并不能用语言文字符号直接传授，需要教师在课堂中增加物理实验与科学探究过程，“坐着学”与“做着学”相结合才能更好地帮助学生物理核心素养的形成[1]. 为了深化学生对电学知识的理解，本文设计了两套有关静电的课堂教具，以充分发挥实验对课堂教学的有效辅助作用.

1 设计静电跑道建构探究课堂

学生在日常生活中经常接触静电，对静电会有基本的认识.人教版教材中必修3的第1节内容是电荷，其中包含了接触起电、感应起电、认识两种电荷、电荷守恒定律与元电荷等知识点.为构建探究型的课堂，必须借助能引起学生强烈兴趣的实验作为课堂的开端，然后作为探究的材料来建构课堂探究.以下是本文设计静电跑道实验的演示、原理、制作和应用.

1.1 静电跑道实验演示

实验器材：静电魔法棒，静电小球，圆环铝箔泡沫轨道，导线.

演示步骤：

第一步，将静电小球放在静电导轨上.

第二步，使圆环泡沫轨道的内圈铝箔锡纸接地.

第三步，打开静电魔法棒开关，将集电梳与泡沫轨道外圈的铝箔锡纸接触，观察现象.

第四步，实验结束，断开电动机开关，对实验装置进行安全放电.

实验现象：静电魔法棒接触铝箔锡纸时，静电小球会沿着圆环轨道持续向前运动，如图1所示.

图1 静电跑道实验

1.2 静电跑道实验原理

(1)静电魔法棒

静电魔法棒的起电原理类似于范式起电机，由自激梳，集电梳，上、下滚轮，传送带，电动机组成，如图2所示.电动机带动下滚轮转动并与传送带发生摩擦.通过摩擦使下滚轮带上负电荷，正电荷则由传送带送至上滚轮；受正电荷作用，集电梳中的负电荷经由尖端到达传送带外表面，使集电梳外表面带上了正电荷，而负电荷就被自激梳源源不断地送走.由于滚轮持续转动，最终使得正电荷在集电梳上持续积累.实验结果表明，该实验装置集电梳带正电而自激梳带负电，并且它们之间产生不高于10 V的压差，符合安全实验范围.

图2 静电魔法棒结构示意图

(2)静电跑道

圆环静电跑道的物理原理涉及接触起电、感应起电、同种电荷相互排斥与异种电荷相互吸引.如图3所示，在泡沫圆环轨道内外圈及轨道底部贴好锡纸.当静电魔法棒中带有正电荷的集电梳与圆环外圈锡纸接触时，锡纸因接触起电带有正电荷；同时，轨道内圈与大地相连的锡纸因感应起电而带有负电荷；最终，轨道底部锡纸上形成正负电荷的间隔分布，为静电小球的持续运动做好准备.

图3 铝箔锡纸带电示意图

(3)运动的静电小球

让小球与轨道底部任意一片铝箔锡纸接触，比如带正电荷的锡纸.因接触起电，小球带有与接触锡纸同样性质的正电荷.在同种(正)电荷相互排斥的作用下，小球会向前运动.在运动过程中，由于小球带正电荷，相邻锡纸带负电荷，小球还会受到异种电荷相互吸引的作用，直至运动到相邻锡纸上并与其接触.此时，小球因再次接触起电而带有负电荷，在同种(负)电荷相互排斥作用下，小球继续出发运动到第3张带正电荷的锡纸上，再次发生接触起电.这样的过程交替出现，使小球在不断地交换电性的状态下沿轨道持续运动，从而形成静电跑道现象，如图4所示.

图4 小球在圆环轨道运动

1.3 静电跑道实验制作

(1)静电小球

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，之后再涂一层墨水.反复几次使泡沫小球的表面涂满石墨以增加小球的带电能力.经过反复实验，小球的半径大小在1～1.4 cm最合适.半径太大，小球会因质量过大而无法在跑道上运动；半径太小，小球就不会越过相邻铝箔锡纸中线而排被斥回来，导致小球在两片铝箔锡纸之间往复运动.

(2)圆环静电跑道

制作材料：泡沫板，铝箔锡纸.

制作方法：将泡沫板制作成圆环凹槽，在凹槽内圈(上部和外侧)与外圈(上部与内侧)贴上铝箔锡纸，凹槽底面锡纸与轨道侧面锡纸间隔单侧相连，如图1所示.条形铝箔锡纸的宽度在0.60～1.50 cm较为合适.铝箔锡纸小于0.60 cm时，小球会因接触不充分而使带电荷量不足；铝箔锡纸大于1.5 cm时，小球就不会越过下一片铝箔锡纸而被排斥回来，导致小球在两片铝箔锡纸之间往复运动.

(3)静电魔法棒

制作材料：塑料管，塑料滚轮(可根据情况使用材料)，金属滚轮，橡胶皮带，电动机导线，金属片，开关，两节干电池.

制作方法：如图2所示，把塑料滚轮、金属滚轮、橡胶皮带、电动机导线、金属片在塑料管内连接起来.电动机接在下滚轮上，然后将电动机、开关与干电池串联在一起；自激梳与电动机开关的塑料外缘连接.

1.4 静电跑道实验的课堂应用

教师在教学的时候可借助本实验激发学生对不同起电过程的思考，并在实验过程中调动学习兴趣，培养探究意识.基于 “为什么小球可以在跑道中运动？”“是什么力推动了它？”等问题来驱动学生们思考，再用辅助仪器来检测小球与轨道的电性，进而将接触起电、感应起电与两种电荷及其相互作用生动形象地展示给学生，从而帮助学生更好地实现知识建构.借助自制教具，教师可以打造一个探究性的课堂，把静电跑道变成一个探究课题，探究小球向前运动的原因，从而让学生认识到“什么是科学”[2].从而体现课程标准中对应的“物理学是基于人类有意识的探究而形成的对自然现象的描述与解释，并需要接受实践的检验[3]”的科学本质观.

2 演示悬浮静电泡化抽象理论为形象认知

电学知识大多为抽象知识，生活中难以直接地观察，学生缺少形象的认知.为学生加深对电学知识的理解，设计了悬浮静电泡实验，让学生形象地认识电荷之间的相互作用、物体的起电方式.在实验中，上述静电魔法棒起电基础上，可以在集电梳端加载接触棒，以实现不同的实验目的.本实验使用硬壳纸作为接触棒，以方便实验现象的展示.以下是实验的演示、原理、制作和应用.

2.1 悬浮静电泡实验演示

实验器材：泡泡水，锡纸吸管，静电魔法棒，接触棒.

演示步骤：

第一步，用锡纸吸管沾上泡泡水然后吹出泡泡，注意让泡泡不能离开吸管.

第二步，打开静电魔法棒开关，将悬挂着泡泡的锡纸管紧贴着接触棒，通过接触棒让魔法棒为泡泡“充电”，如图5所示.

图5 静电泡“充电”过程

第三步，充电20～30 s后，泡泡因为静电力作用(同种电荷相斥)离开锡纸吸管，此时，将带有接触棒的静电魔法棒快速移动到泡泡底部，注意不要触碰到静电泡以防止将其弄破.

实验现象：泡泡刚形成时没有离开吸管；“充电”20～30 s后，泡泡离开锡纸管；当静电魔法棒移动到泡泡下端时，泡泡自由悬浮在空中，如图6和图7所示.

图6 静电泡悬浮过程

图7 静电泡悬浮示意图

2.2 悬浮静电泡实验原理

静电魔法棒的实验原理同1.2(1)，在电动机作用下，魔法棒和接触棒带正电荷.当带有泡泡的锡纸管和魔法棒接触时，泡泡和锡纸管因接触起电带有正电荷.在锡管和静电泡之间静电斥力作用下，泡泡离开锡纸管，此时，将魔法棒移至静电泡下端，静电泡在魔法棒施加的斥力作用下，自由悬浮于空中，如图6，7所示.

2.3 悬浮静电泡的制作

(1)锡纸管

制作材料：玻璃管或塑料吸管(直径在0.5～0.7 cm为宜),铝箔锡纸.

制作过程：用锡纸包裹玻璃管或塑料吸管.注意在实验过程中，人体接触吸管的部分应该与锡纸隔开(不包裹锡纸或者用绝缘胶缠绕).

(2)泡泡水

制作材料：泡泡水浓缩液、食盐、水、白砂糖.

制作过程：

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，在泡泡水中加入适量食盐，使泡泡水的电解质更加饱满，容易带电.

第三步，普通泡泡容易破裂，不易组织实验.为了增加泡泡的液膜强度，可以在泡泡水中加入大量的白砂糖，并用酒精灯加热以加速白砂糖的溶解，如图8所示.加糖量到一定浓度后，刺破后的泡泡会在地上留有一层白色“薄膜”，这样的泡泡韧性好，不容易破裂.在实验过程中，可以持久悬浮于空中，便于观察和组织实验.

图8 加速溶解白糖过程

2.4 悬浮静电泡实验辅助课堂思路与总结

吹泡泡是学生童年的快乐，所以大多数学生都会对本实验产生浓厚的兴趣，希望能知道泡泡悬浮的奥秘.因此本实验可以让教师更容易引导学生进入探究课堂.通过悬浮静电泡实验让学生直观地体会到接触起电与同种电荷相斥的物理原理.让学生自主发现物理问题并解释物理问题，从而在认知结构中建构电学知识.在此过程中给学生带来的惊奇和对原理解释的顿悟，使学生领会科学必须建立在真实的证据之上的科学本质.同时实验也可以作为一个项目式的探究学习，借助查阅资料和辅助实验来探究泡泡悬浮的原因，以及静电魔法棒的实验原理，从而让学生亲身体验科学探究过程，促进科学素养的养成.

3 总结

创新制作“静电跑道”与“悬浮静电泡”实验教具，为教师教学提供教具支持.本文的两个实验可以安排在课堂引入环节，也可以作为探究实验或项目化学习方案执行.创意实验不仅可以丰富课堂活动，拉近师生距离，还可以提升学生学习物理的兴趣，减轻学生学习理论的阻力，从而提高课堂效能.直观的实验现象可以帮助学生实现知识内化，实验现象和原理的解释有助于培养学生的科学思维，进而促进学生物理核心素养的养成.