谈谈静电实验的几点改进
唐建勋
静电场这一章的教学，是从认识最基本的静电现象的基础上展开的，通过引导学生认识静电现象的本质，从而深入理解和掌握电荷守恒定律。静电现象并不难解释，电荷守恒定律也不难理解，所以学生在学习相关规律时不存在太大的思维障碍，但是显性的静电现象和隐形的静电本质之间如何建立有效而又缜密的逻辑联系，关系着学生物理思维的形成，所以对静电现象以及电荷守恒定律的认识首先要从最感性的演示实验入手。高中阶段的静电演示实验资源是非常丰富的，可是高中物理教材在静电演示实验的选取上都较为传统，甚至是拘谨。在此笔者提出一些关于静电演示实验的几点改进。
一、器材选取上要突破传统
教学中常见的起电方式有两种：一是摩擦起电，二是感应起电机起电。摩擦起电所用的器材一般是玻璃棒与丝绸，橡胶棒和毛皮。这两类起电材料是教学中常用来产生正电荷与负电荷的典型情况，可是在教学中往往会伴随着两个问题。第一是使学生产生“玻璃棒一定带正电，橡胶棒一定带负电”的错误认识。玻璃棒和橡胶棒只有在特定的摩擦对象——丝绸和毛皮的时候，才會带上正、负电荷，但是当它们与其他物质摩擦，则带什么电荷是由彼此摩擦的两种材料的性质所决定，这是我们在教学过程中一定要提醒学生注意的地方。第二是这两种材料的带电能力并不是特别强，尤其当环境的空气较为潮湿时，电荷往往很容易逃逸，这使得它们的带电能力大大下降。手摇式感应起电机则是实验室又一起电方式，通过摇动起电机可以使得电荷源源不断地产生，当两个金属球放电时还伴随着“噼里啪啦”的响声，给人的直观感受很强烈。但实际上感应起电机的带电能力要低于我们的想象，其产生的电压大约2万伏左右，而不起眼的摩擦起电其电压最高值却能达到10万伏以上，所以手摇式感应起电机特点是能持续不断地提供电荷，但是产生电压的效果“叫好不叫座”，在静电演示实验中，其效果还不及摩擦起电。对于起电方式的选择，如果从理解电荷产生原因的角度来看，还是用摩擦起电比较妥当，因为它的产生原理涉及了对电荷的本质理解，而感应起电机的起电原理较为复杂，学生对其理解较为困难，这就使得学生在学习时产生了较大的认知负荷，不利于电荷守恒概念的凸显。
但是对摩擦起电的实验器材我们却能够稍作改进。可用比较常见的PVC管（如图1所示）作为起电装置，用餐巾纸或塑料包装纸作为摩擦物质，其产生的电荷能力较强，管子上能够长时间稳定地保留较多电荷，为其他物体（如枕形导体、绝缘金属球等）带电的能力较强。至于PVC管的带电种类，可以预先通过毛皮摩擦过的橡胶棒和验电器来进行验证。经笔者试验，PVC管作为摩擦起电装置，演示实验效果要好于橡胶棒和玻璃棒，更好于感应起电机，应该在课堂上大胆采用这一装置。
二、实验现象上要突显趣味
传统的静电演示实验中，实验所呈现的科学性面貌占主要成分，教材中的演示实验往往失去了物理世界原本的趣味性，其冷冰冰、干巴巴的形象让很多学生望而退却。其实即使在高中阶段，静电现象仍然是蕴藏丰富的教学趣味的地方，只要努力去发掘身边可用的各种资源，我们就会有惊喜的发现。
1.吸引轻小物体
在演示带电物体能吸引轻小物体的试验中，我们可以用普通的塑料吸管来演示。一方面因为塑料吸管材质的原因，它比橡胶棒和玻璃棒带电能力更强，所以在吸引小纸屑的实验中效果更好。如图2所示，用餐巾纸摩擦过的吸管能轻而易举地吸起一大堆纸屑。另一方面，由于吸管自身质量较小，在进行演示时甚至能将摩擦后的吸管直接吸在门上或者黑板上而长时间不掉下来，如图3所示。再如图4所示，塑料吸管还可以做改变自来水流向的实验，效果比普通的塑料尺要好得多。上述三个演示实验的现象非常明显，对学生产生视觉冲击，能吸引学生热烈的关注，激发起学生强烈的学习兴趣。
2.“怒发冲冠”实验一般在做“怒发冲冠”静电实验时，为了实现实验者头发根根竖起的现象，必须用到电压极高的范式起电机，但是一般教学时很难把这个实验移进课堂。可若是如图5所示，在实验者头上戴一个帽子，帽子上粘一些塑料彩带，做了这样的改进后，不需要太高的电压也能实现“怒发冲冠”现象，将原本只能在科技馆看到的趣味实验搬到了教室里。
3.神奇的“悬浮术”
如图6所示，把充气的气球和由塑料手提袋剪出的塑料环都用棉质毛巾反复摩擦，这样可以使得两者都带上同种电荷。然后手持气球，将塑料圆环在其上方释放，其便会悬浮在气球的上方，只要手持气球控制得当，可以使得塑料带在上空长时间悬浮。该实验的选材简单，实施简便，而且还突破了以往静电实验以“吸”为主的常规，让同学们看到了静电现象中“斥”的现象，学生在体验惊奇的同时，激发他们对静电现象的兴趣。
这种实验的教育价值往往与仪器复杂程度成反比，所以演示实验越贴近生活，越有趣味性，同时也越有效。
三、实验设计上要突出有效
静电实验的设计不仅仅只是按照书本指示依葫芦画瓢，还要在很多细节处仔细推敲和改进，实验设计上的一些小小的创新，也能促进实验效果的有效优化。
1.探究影响电荷间相互作用力的因素实验
教材对这个实验原来的描述中，正电荷的支架、吊起小球的丝线、带电小球的材质，都没有作出明确的说明，实际实验操作中，这些细节正是影响实验成功与否的关键因素。支架与丝线的绝缘能力要是不强，很容易会造成漏电；带电小球太重，摆起的角度就会太小，很难比较出库仑力大小与距离的关系，实验实施过程中产生的这些问题促使我们思考如何改进实验。于是作出了如图7所示的改进：
（1）正电荷的支架用蜡烛作为支撑，增强绝缘性能；
（2）吊起带电小球的细线选用尼龙丝，增强绝缘性能；
（3）带电小球用口香糖金属膜包装纸为外层，内部裹泡沫塑料，以减轻质量，提高库仑力的显现程度。这些改进大大提高了实验的可观察性和可持续性，实验效果明显。
2.静电感应实验教材中对静电感应实验的描述如图8所示，然后提出了三个问题，引入了静电感应和电荷守恒的概念。然而在该实验中，由于环境湿度的影响、枕形导体表面不够光滑等等原因，要做出预想的实验现象往往是十分困难的。于是我们可以对实验装置作出如图9所示的改进：
（1）枕形导体由两只金属易拉罐代替。因为饮料罐表面比实验室所提供的枕形导体要光滑得多，所以保留电荷的效果更好；
（2）金属箔由静电计来代替。图8所示的金属箔一方面因为尺寸较小，导致张角的显示度不够清晰，另一方面因为金属箔暴露在空气中，很容易因为环境的湿度影响导致漏电，张角变小。而采用了静电计后，这些问题都得到了解决，一方面张角的变化更加明显，便于学生观察，另一方面，由于静电计本身的绝缘性，使得电荷能在静电计指针上稳定地保留。
高中物理学科核心素养中重点提出如下能力要求：提出物理问题，形成猜想和假设，获取和处理信息，基于证据得出结论并做出解释，以及对实验探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。优化改进常规静电演示实验，不但提高了课堂教学效果，更是在潜移默化中提升了学生的物理学科素养。
静电场这一章的教学，是从认识最基本的静电现象的基础上展开的，通过引导学生认识静电现象的本质，从而深入理解和掌握电荷守恒定律。静电现象并不难解释，电荷守恒定律也不难理解，所以学生在学习相关规律时不存在太大的思维障碍，但是显性的静电现象和隐形的静电本质之间如何建立有效而又缜密的逻辑联系，关系着学生物理思维的形成，所以对静电现象以及电荷守恒定律的认识首先要从最感性的演示实验入手。高中阶段的静电演示实验资源是非常丰富的，可是高中物理教材在静电演示实验的选取上都较为传统，甚至是拘谨。在此笔者提出一些关于静电演示实验的几点改进。
一、器材选取上要突破传统
教学中常见的起电方式有两种：一是摩擦起电，二是感应起电机起电。摩擦起电所用的器材一般是玻璃棒与丝绸，橡胶棒和毛皮。这两类起电材料是教学中常用来产生正电荷与负电荷的典型情况，可是在教学中往往会伴随着两个问题。第一是使学生产生“玻璃棒一定带正电，橡胶棒一定带负电”的错误认识。玻璃棒和橡胶棒只有在特定的摩擦对象——丝绸和毛皮的时候，才會带上正、负电荷，但是当它们与其他物质摩擦，则带什么电荷是由彼此摩擦的两种材料的性质所决定，这是我们在教学过程中一定要提醒学生注意的地方。第二是这两种材料的带电能力并不是特别强，尤其当环境的空气较为潮湿时，电荷往往很容易逃逸，这使得它们的带电能力大大下降。手摇式感应起电机则是实验室又一起电方式，通过摇动起电机可以使得电荷源源不断地产生，当两个金属球放电时还伴随着“噼里啪啦”的响声，给人的直观感受很强烈。但实际上感应起电机的带电能力要低于我们的想象，其产生的电压大约2万伏左右，而不起眼的摩擦起电其电压最高值却能达到10万伏以上，所以手摇式感应起电机特点是能持续不断地提供电荷，但是产生电压的效果“叫好不叫座”，在静电演示实验中，其效果还不及摩擦起电。对于起电方式的选择，如果从理解电荷产生原因的角度来看，还是用摩擦起电比较妥当，因为它的产生原理涉及了对电荷的本质理解，而感应起电机的起电原理较为复杂，学生对其理解较为困难，这就使得学生在学习时产生了较大的认知负荷，不利于电荷守恒概念的凸显。
但是对摩擦起电的实验器材我们却能够稍作改进。可用比较常见的PVC管（如图1所示）作为起电装置，用餐巾纸或塑料包装纸作为摩擦物质，其产生的电荷能力较强，管子上能够长时间稳定地保留较多电荷，为其他物体（如枕形导体、绝缘金属球等）带电的能力较强。至于PVC管的带电种类，可以预先通过毛皮摩擦过的橡胶棒和验电器来进行验证。经笔者试验，PVC管作为摩擦起电装置，演示实验效果要好于橡胶棒和玻璃棒，更好于感应起电机，应该在课堂上大胆采用这一装置。
二、实验现象上要突显趣味
传统的静电演示实验中，实验所呈现的科学性面貌占主要成分，教材中的演示实验往往失去了物理世界原本的趣味性，其冷冰冰、干巴巴的形象让很多学生望而退却。其实即使在高中阶段，静电现象仍然是蕴藏丰富的教学趣味的地方，只要努力去发掘身边可用的各种资源，我们就会有惊喜的发现。
1.吸引轻小物体
在演示带电物体能吸引轻小物体的试验中，我们可以用普通的塑料吸管来演示。一方面因为塑料吸管材质的原因，它比橡胶棒和玻璃棒带电能力更强，所以在吸引小纸屑的实验中效果更好。如图2所示，用餐巾纸摩擦过的吸管能轻而易举地吸起一大堆纸屑。另一方面，由于吸管自身质量较小，在进行演示时甚至能将摩擦后的吸管直接吸在门上或者黑板上而长时间不掉下来，如图3所示。再如图4所示，塑料吸管还可以做改变自来水流向的实验，效果比普通的塑料尺要好得多。上述三个演示实验的现象非常明显，对学生产生视觉冲击，能吸引学生热烈的关注，激发起学生强烈的学习兴趣。
2.“怒发冲冠”实验一般在做“怒发冲冠”静电实验时，为了实现实验者头发根根竖起的现象，必须用到电压极高的范式起电机，但是一般教学时很难把这个实验移进课堂。可若是如图5所示，在实验者头上戴一个帽子，帽子上粘一些塑料彩带，做了这样的改进后，不需要太高的电压也能实现“怒发冲冠”现象，将原本只能在科技馆看到的趣味实验搬到了教室里。
3.神奇的“悬浮术”
如图6所示，把充气的气球和由塑料手提袋剪出的塑料环都用棉质毛巾反复摩擦，这样可以使得两者都带上同种电荷。然后手持气球，将塑料圆环在其上方释放，其便会悬浮在气球的上方，只要手持气球控制得当，可以使得塑料带在上空长时间悬浮。该实验的选材简单，实施简便，而且还突破了以往静电实验以“吸”为主的常规，让同学们看到了静电现象中“斥”的现象，学生在体验惊奇的同时，激发他们对静电现象的兴趣。
这种实验的教育价值往往与仪器复杂程度成反比，所以演示实验越贴近生活，越有趣味性，同时也越有效。
三、实验设计上要突出有效
静电实验的设计不仅仅只是按照书本指示依葫芦画瓢，还要在很多细节处仔细推敲和改进，实验设计上的一些小小的创新，也能促进实验效果的有效优化。
1.探究影响电荷间相互作用力的因素实验
教材对这个实验原来的描述中，正电荷的支架、吊起小球的丝线、带电小球的材质，都没有作出明确的说明，实际实验操作中，这些细节正是影响实验成功与否的关键因素。支架与丝线的绝缘能力要是不强，很容易会造成漏电；带电小球太重，摆起的角度就会太小，很难比较出库仑力大小与距离的关系，实验实施过程中产生的这些问题促使我们思考如何改进实验。于是作出了如图7所示的改进：
（1）正电荷的支架用蜡烛作为支撑，增强绝缘性能；
（2）吊起带电小球的细线选用尼龙丝，增强绝缘性能；
（3）带电小球用口香糖金属膜包装纸为外层，内部裹泡沫塑料，以减轻质量，提高库仑力的显现程度。这些改进大大提高了实验的可观察性和可持续性，实验效果明显。
2.静电感应实验教材中对静电感应实验的描述如图8所示，然后提出了三个问题，引入了静电感应和电荷守恒的概念。然而在该实验中，由于环境湿度的影响、枕形导体表面不够光滑等等原因，要做出预想的实验现象往往是十分困难的。于是我们可以对实验装置作出如图9所示的改进：
（1）枕形导体由两只金属易拉罐代替。因为饮料罐表面比实验室所提供的枕形导体要光滑得多，所以保留电荷的效果更好；
（2）金属箔由静电计来代替。图8所示的金属箔一方面因为尺寸较小，导致张角的显示度不够清晰，另一方面因为金属箔暴露在空气中，很容易因为环境的湿度影响导致漏电，张角变小。而采用了静电计后，这些问题都得到了解决，一方面张角的变化更加明显，便于学生观察，另一方面，由于静电计本身的绝缘性，使得电荷能在静电计指针上稳定地保留。
高中物理学科核心素养中重点提出如下能力要求：提出物理问题，形成猜想和假设，获取和处理信息，基于证据得出结论并做出解释，以及对实验探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。优化改进常规静电演示实验，不但提高了课堂教学效果，更是在潜移默化中提升了学生的物理学科素养。
