王 蓓

(浙江金華第一中學(xué) 浙江 金華 321015)

物理靜電演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中物理課堂教學(xué)的難點(diǎn)，也是廣大教師訪(fǎng)談的焦點(diǎn).因?yàn)殡妶?chǎng)看不見(jiàn)摸不著卻真實(shí)存在，學(xué)生難以理解，心存畏怯.為了讓學(xué)生感性地認(rèn)識(shí)電場(chǎng)，教師講授時(shí)采用多種形式進(jìn)行教學(xué)，例如圖片、PPT、動(dòng)畫(huà)、視頻等，但依舊不能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生思維.

千言萬(wàn)語(yǔ)道不清，一看實(shí)驗(yàn)就分明，實(shí)驗(yàn)是物理這門(mén)學(xué)科的魂.我們可以進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)驗(yàn).由于靜電實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境要求高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象細(xì)微，危險(xiǎn)性略強(qiáng)等因素，采用演示實(shí)驗(yàn)的方式比較妥當(dāng).它能夠起到激發(fā)興趣、加深理解、鞏固記憶、促進(jìn)思考、培養(yǎng)能力等作用.下面就以“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”這節(jié)課為案例，創(chuàng)新設(shè)計(jì)靜電演示實(shí)驗(yàn)，以期提高學(xué)生的核心素養(yǎng).

1 靜電平衡狀態(tài)下的電勢(shì)

1.1 理論分析

處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部的電場(chǎng)處處為零.再根據(jù)電勢(shì)差與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系可知，導(dǎo)體上各點(diǎn)的電勢(shì)都相等，所以處于靜電平衡狀態(tài)的整個(gè)導(dǎo)體是等勢(shì)體.

1.2 模型設(shè)置

(1)測(cè)電勢(shì)差的儀器有哪些？

(2)若導(dǎo)體是等勢(shì)體，靜電計(jì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？

(3)若導(dǎo)體不是等勢(shì)體，靜電計(jì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？

(4)如何讓導(dǎo)體在等勢(shì)體和非等勢(shì)體兩種狀態(tài)之間進(jìn)行切換？

(5)建立模型，構(gòu)思草圖(圖1，圖2).

圖1 金屬桶A與B相互接觸

圖2 金屬桶A與B相互分開(kāi)

1.3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)儀器：

起電機(jī)，易拉罐(2個(gè))，靜電計(jì)，紅外燈，導(dǎo)線(xiàn)若干.

實(shí)驗(yàn)步驟：

先開(kāi)啟紅外燈，烘干儀器周?chē)目諝?按照?qǐng)D3所示，從左到右依次擺放的順序是起電機(jī)、易拉罐A、易拉罐B以及靜電計(jì).用導(dǎo)線(xiàn)將易拉罐A與靜電計(jì)上端的金屬小球相連，用另一根導(dǎo)線(xiàn)將易拉罐B與靜電計(jì)金屬外殼的下端相連.接下來(lái)緩慢手搖起電機(jī)，讓起電機(jī)帶電，觀(guān)察此時(shí)靜電計(jì)中的兩片金屬箔的情況.最后易拉罐A固定不動(dòng)，把易拉罐B向右移動(dòng)一些，觀(guān)察此時(shí)靜電計(jì)中兩片金屬箔的情況變化.實(shí)驗(yàn)結(jié)束整理儀器.

圖3 驗(yàn)證等勢(shì)體實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

(1)易拉罐A與易拉罐B相互接觸時(shí)，靜電計(jì)中的兩片金屬箔豎直向下并重合在一起，驗(yàn)證了此時(shí)AB整體是一個(gè)等勢(shì)體.

(2)固定易拉罐A，移動(dòng)易拉罐B，靜電計(jì)中的兩片金屬箔之間產(chǎn)生張角，驗(yàn)證了此時(shí)因?yàn)榫鄨?chǎng)源電荷的遠(yuǎn)近不同存在電勢(shì)高低差異，它們不是等勢(shì)體.

1.4 反思小結(jié)

通過(guò)教師的講解，處于靜電平衡狀態(tài)的整個(gè)導(dǎo)體是等勢(shì)體這個(gè)結(jié)論學(xué)生不難接受，但是沒(méi)有感性的認(rèn)識(shí)，難以與結(jié)論達(dá)到共鳴.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生的思考，將結(jié)論印在腦海中.其實(shí)演示實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)物理的一條十分有效的學(xué)習(xí)途徑，可以起到事半功倍的效果.

2 靜電平衡狀態(tài)下的電荷分布

2.1 理論分析

根據(jù)自然界最簡(jiǎn)單的理論——同種電荷相互排斥，可得導(dǎo)體中的電荷會(huì)被排斥到載體的最遠(yuǎn)處，即外表面與尖端.所以導(dǎo)體上的電荷分布有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

(1)導(dǎo)體內(nèi)部沒(méi)有電荷，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面.

(2)在導(dǎo)體外表面，越尖銳的位置電荷的密度越大，凹陷的位置幾乎沒(méi)有電荷.

2.2 模型設(shè)置

(1)檢驗(yàn)電荷的儀器有哪些？

(2)如何讓金屬導(dǎo)體帶電，并確保所帶電荷量基本穩(wěn)定不變？

(3)哪種金屬制品能很好地展現(xiàn)電荷分布情況？

(4)建立模型，構(gòu)思草圖.

2.3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)儀器：

起電機(jī),電水壺,靜電計(jì),帶有塑料手柄的金屬大球,紅外燈,導(dǎo)線(xiàn)若干.

實(shí)驗(yàn)步驟：

先開(kāi)啟紅外燈，烘干儀器周?chē)目諝?如圖4所示，用導(dǎo)線(xiàn)將起電機(jī)的放電球與電水壺相連，驗(yàn)電器置于電水壺的另一側(cè).緩慢手搖起電機(jī)，使得金屬水壺帶電.手握塑料柄，使金屬大球與電水壺的不同部位相接觸，再與靜電計(jì)上端的金屬小球相接觸，檢驗(yàn)帶電情況.

圖4 探究電荷分布實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

與電水壺外表面相接觸后，靜電計(jì)中的兩片金屬箔之間產(chǎn)生張角.而與電水壺內(nèi)表面相接觸后，靜電計(jì)中的兩片金屬箔依舊保持豎直向下并重合的狀態(tài).驗(yàn)證了導(dǎo)體內(nèi)部沒(méi)有電荷，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面.

與壺身的外表面相接觸后，靜電計(jì)中的兩片金屬箔之間產(chǎn)生張角，與壺嘴相接觸后，靜電計(jì)中的兩片金屬箔之間也產(chǎn)生張角.但是不同的是：前者張角的程度小于后者張角的程度.驗(yàn)證了在導(dǎo)體外表面，越尖銳的位置電荷的密度越大.

2.4 反思小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)的整體構(gòu)思與操作步驟并不難完成，而該實(shí)驗(yàn)的亮點(diǎn)就在于金屬導(dǎo)體的選擇——電水壺.電水壺不僅僅有內(nèi)外表面，還有微圓的壺身和尖銳的壺嘴.兩個(gè)結(jié)論，在同一個(gè)導(dǎo)體上體現(xiàn)，簡(jiǎn)單方便，清晰明了.而且電水壺是我們生活中常見(jiàn)的物品，從電水壺上得到的結(jié)論有非常強(qiáng)的說(shuō)服力和普遍性，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能讓學(xué)生體會(huì)到物理源于生活.

3 靜電屏蔽的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.1 理論分析

基于對(duì)靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的分析研究，若處于電場(chǎng)中的導(dǎo)體內(nèi)部有一個(gè)空腔，空腔內(nèi)也能達(dá)到電場(chǎng)處處為零.把一個(gè)電學(xué)儀器放在封閉的金屬殼里，即使殼外有電場(chǎng)，由于殼內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度保持為零，外電場(chǎng)對(duì)殼內(nèi)的儀器不會(huì)產(chǎn)生影響.此時(shí)金屬殼的這種作用叫做靜電屏蔽.

3.2 模型設(shè)置

(1)如何操作能在空間產(chǎn)生電場(chǎng)？

(2)什么樣的金屬制品能看見(jiàn)其內(nèi)部？

(3)怎樣的物品進(jìn)行靜電屏蔽對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有明顯的區(qū)別？

(4)現(xiàn)象分別是什么？

(5)建立模型，構(gòu)思草圖.

3.3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)儀器：

起電機(jī),金屬籠,靜電羽(兩根),紅外燈.

實(shí)驗(yàn)步驟：

先開(kāi)啟紅外燈，烘干儀器周?chē)目諝?，按照?qǐng)D5所示將儀器放置于實(shí)驗(yàn)桌上.緩慢手搖起電機(jī)，讓起電機(jī)帶電，請(qǐng)學(xué)生注意觀(guān)察金屬籠內(nèi)外的兩根靜電羽的區(qū)別.

圖5 靜電屏蔽對(duì)比實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

緩慢手搖起電機(jī)，電荷聚集在放電球上.金屬籠外的靜電羽因?yàn)閹щ娢矬w可以吸引輕小物體這個(gè)特點(diǎn)而張開(kāi).金屬籠內(nèi)的靜電羽卻依舊保持原來(lái)的自然下垂?fàn)顟B(tài).可知：金屬籠內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度保持為零，金屬籠此時(shí)起到靜電屏蔽的作用.

3.4 反思小結(jié)

就靜電屏蔽這個(gè)實(shí)驗(yàn)而言，我們采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)，效果會(huì)更加生動(dòng)鮮明、形象深刻.在選擇靜電羽方面，我們嘗試了很多種材質(zhì)，試圖選擇現(xiàn)象最明顯的.如圖6所示，左邊是傳統(tǒng)的靜電羽，由紅色的纖維繩制成，右邊的是由生活中鍍有鋁塑膜的食品塑料袋剪切捆綁而成.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)后者產(chǎn)生的現(xiàn)象遠(yuǎn)明顯于前者.

圖6 靜電羽對(duì)比

4 意義與體會(huì)

物理實(shí)驗(yàn)作為一種特殊形式的知識(shí)載體，自身就具有直觀(guān)、生動(dòng)、形象和有趣的特點(diǎn).在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師是實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的促進(jìn)者和合作者，學(xué)生才是實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的主體參與者.

在實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺或危險(xiǎn)系數(shù)略高的情況下，教師通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)向?qū)W生們展示豐富多彩的物理現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中“師引導(dǎo)，生思考，師操作，生細(xì)看”成了一道亮麗的風(fēng)景，幫助引導(dǎo)學(xué)生直觀(guān)、形象地理解物理現(xiàn)象的變化規(guī)律，形成物理概念.不僅如此，在學(xué)校條件允許的情況下，盡可能多地開(kāi)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)，不僅可以加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，體驗(yàn)物理規(guī)律形成的艱辛，還能樹(shù)立科學(xué)創(chuàng)新精神.而課外，教師還可以選擇合適的題目作為探究課題，鼓勵(lì)學(xué)生大膽進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，并倡導(dǎo)充分利用身邊的物品，讓學(xué)生從中獲得更為直觀(guān)的科學(xué)知識(shí)，完全實(shí)現(xiàn)學(xué)生從被動(dòng)接受知識(shí)向主動(dòng)獲取知識(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)化.教師在設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)必須大膽創(chuàng)新優(yōu)化演示實(shí)驗(yàn)，真正提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

1 人民教育出版社.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理·選修3-1.北京：人民教育出版社，2010.24～28