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        尖端放電演示儀器的設(shè)計制作

        2023-01-16 03:16:08
        物理教師 2022年12期
        關(guān)鍵詞:物理實(shí)驗(yàn)學(xué)生

        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(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)計思路

        演示儀基于尖端放電原理制作而成,設(shè)計思路如下: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,發(fā)展科學(xué)思維.通過思維活動促進(jìn)學(xué)生形成有關(guān)于靜電場的物理觀念,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尖端電極,使尖端電極對準(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.在強(qiáng)電場的作用下導(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.上述兩個演示實(shí)驗(yàn)均以生動、直觀的機(jī)械運(yùn)動現(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.

        (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.

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