两例趣味静电驱动装置设计与制作

海南省教育研究培训院(571100) 王理想

海南省文昌中学(571300) 林 丰

《普通高中物理课程标准(2017年版2020修订)》必修3模块“静电的防止与利用”教学内容是静电场在生活实践中的应用[1]。静电场看不见、摸不着却客观存在，为了让学生直观、感性地认识电场，利用身边的简易器材进行改进与创新，利用3D打印制作静电驱动装置开展教学，增强了课堂教学实验效果，激发了学生的学习兴趣，培养了学生的观察、分析、合作交流等能力。

静电驱动装置是利用高压静电起电器让尖端电极带上大量电荷，在强电场作用下使空气电离形成离子风，推动火焰和包有铝箔纸的矿泉水瓶的显化物理现象方式使物理知识及原理得到直观的解释[2，3]。学生在特定的物理情境中经历观察、探究过程，发展了科学思维[4]。

1 制作材料与方法

3D打印机、铝箔纸、高压静电起电器(或用手摇起电机替代)、矿泉水瓶、蜡烛、铁钉、开关和导线若干。

图1为两例自制的静电驱动装置，左侧是静电驱动火焰装置，由支架、弯折的铁钉、蜡烛组成；右侧是静电驱动金属瓶装置，由支架、包有铝箔纸的矿泉水瓶、铁条、圆形纽扣磁铁等组成。铁条作为转轴穿过水瓶装在支架座上。圆形纽扣磁铁放在支架上吸引铁条，用于减小转动中的摩擦阻力。用铝箔纸制作两个锯齿形导电极两侧放置，侧对金属瓶。

图1 静电驱动装置

2 实验步骤及现象

2.1 静电驱动火焰实验

通电前点燃蜡烛，观察到蜡烛的火焰呈竖直状(见图2)。闭合高压静电起电器的开关，可以观察到蜡烛的火焰被尖端电极“吹动”了(见图3)。

图2 通电前

图3 通电后

2.2 静电驱动金属瓶实验

通电前包有铝箔纸的矿泉水瓶处于静止状态(见图4)。闭合高压静电起电器的开关，包有铝箔纸的矿泉水瓶从静止开始转动，转动的速度越来越快(见图5)。

图4 通电前

图5 通电后

3 实验现象分析

高压静电起电机工作时，根据电荷的分布规律，大量的电荷聚集于尖端电极，使得电极周围空间存在非常强的电场，在强电场的作用下，使空气电离产生离子，发生尖端放电的现象。如图6所示，在强电场的作用下，与尖端上电荷异号的离子受到吸引而趋向尖端，最后与尖端上的电荷中和。与尖端同号的离子受到电场力的作用将发生定向运动而形成离子风，蜡烛火焰的偏斜就是受到这种离子流形成的“电风”吹动的结果。尖端须对准烛焰并将烛焰置于距离尖端2～5 cm处，实验效果明显。

图6 火焰被吹动示意图

如图7所示，高压静电起电机工作时，两锯齿形导电极就会产生尖端放电，形成电风吹动包有铝箔纸的瓶子旋转。同时有部分与尖端同号的电荷附着在包有铝箔纸的瓶子的表面上，同种电荷的排斥作用也会产生力矩旋转，很快转子表面的电荷又受到对面电极尖端所带异种电荷的吸引，吸引的同时包有铝箔纸的瓶子表面的电荷迅速被中和继而又带上与该电极尖端同号的电荷继续受到排斥作用，如此往复，包有铝箔纸的瓶子就高速旋转起来[5]。

图7 矿泉水瓶转动示意图

生活中的电子打火装置、避雷针、工业烟囱除尘装置都是运用了尖端放电的原理。

自制的两例趣味静电驱动器装置，实验现象明显，演示效果直观、生动。静电驱动装置呈现直观的物理情境，使学生产生认知冲突，有效地激发了学生探究的欲望。学生基于事实经验，利用所学的静电场知识，完成物理模型建构，采用演绎推理的方法进行了科学推理和科学论证，对实验现象做出科学合理的解释。这一过程学生自主构建新的认知和物理规律，形成物理观念，科学思维能力得到有效提升。

两例静电驱动装置使用3D打印机制作支架，如果没有3D打印机，演示仪器所用的支架也可以用日常的物品代替，同时高压静电起电器可以用实验室里常见的手摇起电机替代，这样以来，实验教具制作简单，取材方便，性价比较高。