1引言
干燥的天气是做好静电教学实验的最佳时机.这门选修课面向的是高一学生,他们在初中学过一些静电学知识,但还没有经过全面地学习,因此对静电有着较强的好奇心和求知欲望.开设选修课的静电基本知识和实验专题,正是为了激发学生在以后高二课堂学习静电的兴趣,同时拓展他们的知识面,这也正是这门选修课的目的所在.我们将静电实验分为两节课讲.第一节课,课堂内容主要涉及摩擦起电的实验现象及其原理;第二节课主要涉及静电感应的实验现象及电荷的分布和电荷间相互作用情况.两节课内容大体呈由浅入深分布.
2教学内容
在第一节课中,我们主要讲以下几个实验:(1)用涂漆的木制铅笔摩擦锦纶线,使它带电;(2)塑料吸管的摩擦起电;(3)塑料包扎带的摩擦起电;(4)带电的有机玻璃棒吸烟现象等.
2.1演示实验1:涂漆木制铅笔摩擦锦纶线取细锦纶线长70cm左右30根,梳理整齐打结,固定在50cm左右长的木架上,用铅笔在锦纶线上稍用力摩擦几下,如图1所示,就会看到锦纶线会蓬开来,如图2所示.
一般同学根据常识会告诉你这是摩擦起电,同种电荷相互排斥的结果,但未必知道其中真正摩擦起电是怎样的一个过程.所以,接下来可以让同学们亲自动手做这样的一个实验:摩擦塑料吸管.
2.2学生实验Ⅰ:摩擦塑料吸管
让学生用食指和中指摩擦一根新的塑料吸管(图3),会看到该吸管可以吸在自己的手心,如图4
所示.再把经手指摩擦过的塑料吸管放在倒扣在桌上的一次性杯子上,再摩擦另一根吸管,当两吸管相互靠近时,会出现排斥现象,如图5所示.同学们从这两个现象中,可知手摩擦吸管,因为两者电性相反(摩擦起电的过程实际是电荷转移的过程),摩擦可以使物体得到电子,或失去一些电子,得到电子的物体带负电,失去电子的物体带正电.那么又如何去检验摩擦后一个物体到底带的是正电荷还是负电荷呢?我们引入下面几种方法.
2.3学生实验Ⅱ:奇异的塑料包扎带
取包扎带长约20cm,在一端打结,再把塑料带撕成30条左右的细条子,用食指和中指迅速摩擦带子,带子会蓬起来.学生通过前面的实验,已经知道这是由于摩擦使包扎带带上电荷的缘故.试问同学们,我们如何进一步检验包扎带上所带的是何种电荷呢?学生通过自己动手操作思考后得出:方法一,用带电的细带子接触验电器上小球,细带子上的电荷转移到验电器的箔片上,箔片张开一定角度,再用丝绸摩擦过的有机玻璃棒接触验电器上的小球,发现张角变小,说明箔片上一部分负电荷被有机玻璃棒上的正电荷中和掉了,两者电性相反;方法二,用丝绸摩擦过的有机玻璃棒放在张开的包扎带的下方,发现包扎带会收拢,也说明有机玻璃棒上的正电荷吸引了包扎带上的负电荷.
在同学们自主得出结论的基础上,给学生们演示这样的一个实验.
2.4演示实验2:神奇的蜡烛火焰
摩擦塑料包扎带,使之蓬起来,点燃一根蜡烛,在包扎带的四周烘一下,包扎带就会收拢起来.让同学们分组讨论,谈谈各自的想法.提示:包扎带收拢,说明因摩擦而带上的负电茼有一部分被中和掉了,需要有与之极性相反的电荷.这电荷是哪来的呢?
蜡烛的火焰温度非常高,加热时,周围的空气被升温,空气中存在正、负离子运动剧烈,就会发生碰撞,产生大量新的正、负离子,正离子所带的正电荷就会中和包扎带因摩擦而带上的负电荷.
摩擦起电所产生的电压是非常大的,属于数千甚至上万伏的静电高压,但当人体接触时,我们并没有因为这是高压而有触电的感觉.这又是为什么呢?
这需要同学们课后去查阅资料和认真思考的.我们给出的关键词有:高压静电、触电条件.在第二节课中涉及静电感应时,我们用水的实验来引入静电感应的思想.
2.5演示实验3:水流带电、小水滴变成大水滴
滴定管架在铁架台上,调节旋钮,使有细水流流出,滴管下方用一塑料盆接水.用摩擦过的玻璃棒靠近细水流,细水流会发生偏转,学生的第一反应是电荷能吸引轻小物体.
接着,用一根导线连接盆中的水与验电器的小球,学生会发现验电器的箔片会张开一定的角度,如图6所示.这就说明,细水流并不仅仅是轻小物体,此时的水流已经带上了电荷.学生会问:这水是如何带上电了呢?这时候,就可以引进静电感应的思想.
当用丝绸摩擦过的有机玻璃棒带上正电靠近细流时,由于水是导体,水流因静电感应带上了负电荷.可以再检测一下同学们是否真正明白了静电感应,
问:如果要使水流带上正电,该如何操作实验呢?
调节滴定管的旋钮,使水流变成水滴,1秒钟大约2~3滴,再用摩擦过的有机玻璃棒靠近水滴,可以发现水滴滴快了.让学生通过观察思考讨论,解释这一个现象.通过教学,发现一个问题,即刚开始学生不知道如何下手去考虑.经过引导,一般学生都能得出正确的想法.我们是这样启发学生的:首先,注意看滴定管下部尖端水滴的形成过程,一颗小水滴慢慢地变大,且呈球状,水滴大到一定程度,会下落.在水滴逐渐变大的量变过程中,哪些量发生了改变?为什么会下落?带正电的有机玻璃棒靠近水滴,缩短了量变过程的时间,水滴由于静电感应带上了负电,带上负电实质上是破坏了水滴形成过程的哪一步呢?水滴是受表面张力的作用,收缩成球状的.当小水滴积变成大水滴,其重力足以克服水滴表面张力作用时,就会从滴定管下尖端处下落,带正电的有机玻璃棒靠近,产生静电感应,水滴带上了负电,水分子与水分子之间同种电荷相互排斥,破坏了原有的水滴表面张力作用,下落就快了.在了解静电感应之后,我们要求学生能正确理解由于静电感应而产生的导体电荷分布情况.通过对起电盘的制作与分析实验过程来达到这个教学目的.
2.6学生实验Ⅲ:起电盘的制作与研究
首先,给每个小组一块巴掌大的金属薄片(铝片、铁片或铜片),三根塑料吸管,剪刀,胶带.让学生在观察完起电盘后自己动手做一个简易的起电盘,如图7所示.再给每个小组准备一个塑料王板(聚四氟乙烯板),一块丝绸,一个氖泡.这样的一个实验,我们强调的是让每个同学都能动手操作,直接地感
受实验效果,能提高学生的兴趣,力求能激发他们自主去寻求问题的渴望.用丝绸摩擦塑料王板,通过摩擦起电,塑料王板带上负电荷,用自制的起电盘放在塑料王板上.此时的起电盘带电吗?有学生会用手去摸起电盘,便听到清脆的“叭”的一声,如图8所示.很显然,起电盘是带电的.同学们会争先恐后地去触摸起电盘,直至不再有“叭”的声音发出.接着把起电盘拿起来,此时的起电盘还带电吗?一般的学生会认为没电了,但把灯芯草靠近起电盘时,会发现灯芯草被吸引,说明还是有电的.从实验现象中,和学生一起得出在每一步中电荷的有无情况.接着,就要求学生自主去探究在每一步中,电荷的极性以及如何分布.在这一环节中,提倡用图示法,能简洁明了地反映实验现象.
看似平整的塑料王板和起电板,若进行放大处理,会看出表面还是凹凸不平的.
(1)当起电盘靠上带负电的塑料王板后,由于静电感应,金属板靠上塑料王板的一面(B面)集中正电荷,金属板的另一面(A面)则集中负电荷.
(2)当人触碰起电盘时,人是导体,A面的负电荷由于受塑料王板负电荷的排斥,应抵达导体(人)的最远端,即通过人体到达大地.
(3)提起金属板,金属板上的电荷要重新分布,使A、B面都为正电荷,所以此时的起电盘是带电的,并且带的是正电.在这样的三个步骤中,对于高一的学生来讲,第二、第三步有点难度.
推出这样的结论,需要用实验去验证起电盘所带电荷的极性.验电笔中的氖泡是学生常见的,平时被安在电笔中.氖泡中的两端各有一根细丝,当被测物体与人(相当于零电位)的电位相比较低了,则靠近被测端的氖泡细丝发光;若被测端电位高于人的电位,则靠近人的那一端氖泡细丝发光.接着用氖泡检测起电盘,可以证实,起电盘的电位大于零电位,则是带正电的.
从教学实践的过程中发现,学生普遍欢迎这一门课,因为这些小实验在物理课堂上是不太能见到的,正因为这些实验,使得他们对静电有了一些感性认识.
(责任编辑：admin) |
