静电现象应用的系列创新实验
程承平 徐展
摘? 要：物理是建立在实验基础上的一门学科。文章结合人教版高中物理选修3-1中“静电现象的应用”一课的系列实验设计和遇到的问题，介绍高中物理创新实验的设计策略与改进方法，实施实验教学的基本原则。
关键词：创新实验设计;静电现象;实验教学
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）12-0042-4
优秀的实验设计可以全面加深学生对物理知识、物理原理的理解，通过实验充分调动学生的学习兴趣，加强学生的学习记忆。“静电现象的应用”一课的关键就是做好实验，例如带电导体电荷分布的特点对于学生来说是较深奥的，通过实验可以加深体会。下文按照课堂教学的顺序对本节课的实验设计展开论述（图片1～10展示的实验设计对应的十个视频可扫描相应二维码观看，1～4号二维码如图1所示）。
1? ? ?静电现象的应用中四类实验的设计、改进与创新
1.1? ? 导体是等势体的论证实验
图2（1）是等势体论证实验方案一，实验装置：将两个金属易拉罐放在静电感应起电机两放电叉间靠近金属球的位置，但不接触起电机，用导线将两个易拉罐的拉环分别与静电计的两极相连[1]。实验操作与结论：转动起电机的手柄，当两易拉罐罐底靠在一起时，静电计指针不张开，说明两易拉罐拉环连接处电势相等;两易拉罐分离时，静电计指针张开，说明拉环处电势不相等，即可判定两易拉罐没有等势的关系。注意事项及缺点分析：为使指针张开的现象明显，应注意两易拉罐摆放方位及与感应起电机的距离，距离太远，电场太弱，指针几乎不张开，距离太近，又会导致起电机放电，实验效果也不好，在移动易拉罐时需特别仔细。
图2（2）是等势体论证实验方案二，是在方案一的基础上添加两块金属板，用导线将两金属板分别接在起电机的两个放电叉上，转动起电机手柄让金属板带电，即可在两板间较广阔的区域形成较强的电场。优点：较前一设计，产生的场强更大，现象更加明显;易拉罐可放置的空间更广，不容易触碰起电机和金属板而导致漏电，操作方便。
1.2? ? 导体上的电荷分布探究实验
图3的设计实验是探究导体电荷分布的特点。实验装置：用导线将水壶接在静电感应起电机的一个放电叉上。实验操作与结论一：转动起电机的手柄，让水壶带电，用带有绝缘手柄的金属球接触水壶内表面的任意一点，再去接触静电计金属圆盘的一极，静电计指针不张开，金属球改触水壶外表面的任意一点，静电计指针张开，说明了“电荷只分布在导体外表面，导体内部净电荷为零”的第一个特点。实验操作与结论二：转动起电机手柄，让水壶带电，用两个相同的带有绝缘手柄的金属球分别同时接触如图3乙壶肚上的A处与壶嘴上的B处，再分别去接触两个相同的静电计，发现两静电计指针都张开，重复接触A、B处多次转移电荷到两静电计上，可使两静电计指针张角一次次增大，现象越来越明显。比较两静电计可发现，对应壶嘴处的静电计指针张角更大，说明了“导体尖端电荷密度大”的第二个特点。注意事项：实验中用到的带有绝缘手柄的金属球是从废旧的感应起电机上拆下的两个放电叉（放电叉顶部有一小一大两金属球）。通过实验比较，放电叉传递电荷的效率比较高。
1.3? ? 尖端放电实验与模拟雷击实验
图4是尖端放电实验，实验装置：将上、下两金属板接在电源（J1206型感应线圈）的两极上。如图5所示，J1206型感应线圈左侧的“极性转换”旋钮有“+-”、“-+”、空挡，可调节两放电针的正负极性或关闭电源，“高压调节”旋钮可调节电压大小。用胶枪将一顶端为球体和一顶端尖锐的等长金属杆固定在下金属板上。调节“高压调节”旋钮慢慢增大电压，可以看到顶端尖锐的金属杆先出现电火花，即尖端放电现象。调节电压增大一定量时，顶端为球体的金属杆才出现放电现象。
图6甲是模拟雷击现象，上金属板看作一朵带电的云，下金属板看作大地。放在下金属板上的小房子有三层，最里层和最外层是薄纸板，中间夹了一层锡箔纸，锡箔纸模拟建筑墙体中的钢筋。调节“高压调节”旋钮慢慢增大电压，可以看到小房子遭遇“雷击”，且被雷击的主要部位是房顶的两个尖角。如何挽救小房子呢？学生受尖端放电实验的启发，很容易想到在小房子旁边放一尖端金属。教师将一个高度低于房子的尖端金属杆放在小房子旁边，在电压大小不变的前提下，尖端金屬杆把“雷电”引过去了，房子逃脱了厄运。但是，继续增大电压，房子又开始遭遇“雷击”，如何再次挽救小房子呢？部分学生能提出换一根更长的金属杆，这其实就是避雷针的原理。
注意事项：通常晴天空气中正离子数多于负离子数。金属尖端带负电时，尖端附近有较多的正离子向尖端运动，更容易触发尖端放电产生电火花，产生尖端放电所需的电压更小。反之，若金属尖端带正电，尖端附近只有较少的负离子向尖端运动，较难触发尖端放电，产生尖端放电所需的电压更大。因此，晴天做尖端放电的实验时，建议让尖端带负电，在较小的电压下就能产生尖端放电现象，实验过程更安全。反之，在雷雨天气负离子数多于正离子数，建议让尖端带正电。
1.4? ? 静电屏蔽实验
图7是静电屏蔽实验设计方案一，实验装置：如图7甲将悬挂在支架下的泡沫靠近静电感应起电机放电叉上的金属球，先用金属笼罩住支架。实验操作：转动起电机的手柄，让起电机放电叉带电，可以看到泡沫保持静止。如图7乙再将金属笼移开，泡沫飘向放电叉。注意事项及缺点分析：为了使泡沫受到足够大的电场力，泡沫和放电叉距离应尽可能近，但是太近又容易使放电叉和金属笼之间产生电火花，起电机漏电，特别是在移开金属笼时容易与放电叉接触，起电机更容易漏电，导致实验失败。
图8是静电屏蔽实验设计方案二，在方案一的基础上添加两块金属板，用导线将两金属板分别接在起电机的两个放电叉上，转动起电机的手柄让金属板带电，即可在两板间较广阔的区域形成较强的电场。优点：较前一设计，产生的场强更大，现象比方案一明显;悬挂泡沫的支架，金属笼可放置或移动的位置空间更大，有效解决方案一中的问题。现象规律分析：如图8乙，实验中发现，当泡沫靠近右金属板放置，泡沫会飘向右金属板;反之，泡沫靠近左金属板放置，泡沫会飘向左金属板。考虑到这一现象规律，实验操作时，可将泡沫较为明显地靠近其中一块金属板，教师可提前判定实验结果。
图9是静电屏蔽实验设计方案三，实验器材有电池版特斯拉线圈、氖泡灯、金属网、透明塑料管。实验操作：如图9甲打开特斯拉线圈的电源开关，使其在附近產生电场，将氖泡灯放在旁边，氖泡灯发光;如图9乙，将金属网放在特斯拉线圈与氖泡灯中间，氖泡灯熄灭，证明了金属网的屏蔽作用;如图9丙，用透明塑料管罩住氖泡灯，可以看到氖泡灯发光，证明塑料无屏蔽作用。实验优点：氖泡灯放在空中，两脚不接线却能发光的实验现象容易吸引学生眼球，激发学生的好奇心，提高课堂效率;金属网的屏蔽作用验证了实现静电屏蔽的工具不一定要用密封的金属容器，金属笼甚至一小片金属网也能起到屏蔽作用。
受设计方案三的启发，设计了如图10所示的静电屏蔽实验设计方案四。实验装置：用导线将两金属板分别接在起电机的两个放电叉上，用胶枪将氖泡灯的一脚固定在支架上，将氖泡灯放在两金属板正中间。如图10甲所示，转动起电机手柄，氖泡灯发光。如图10乙所示，将一金属网罩住氖泡灯，转动起电机手柄，氖泡灯不发光，证明了金属网的静电屏蔽作用。
方案四实验操作中发现的问题：如图10甲多次重复实验发现氖泡灯有时亮有时暗，甚至有一次实验氖泡灯不发光。研究发现这与氖泡灯摆放的方位有关。将氖泡灯附近的电场近似看作匀强电场，据匀强电场中电势差与电场强度的关系式U=Ed可知，氖泡灯的两脚应尽量拉开，且两脚端点的连线与两平行金属板垂直，使两脚端点的连线沿场强方向的距离d尽量大，以使氖泡灯获得的电压尽可能大。两脚端点的连线与两平行金属板平行或接近平行时，氖泡灯则不发光。方案四是在方案三的基础上将特斯拉线圈换成了静电感应起电机和金属板。学生对特斯拉线圈的工作原理并不熟悉，特斯拉线圈产生的电场也比较复杂，通常物理实验室也没有特斯拉线圈。而方案四中的实验器材更加常见，金属板间的电场比特斯拉线圈的电场简单，实验原理更容易理解。
2? ? 结? ?语
2.1? ? 课前录像，两手准备
有些物理实验操作简单快捷，容易成功，可以利用“希沃传屏”等APP在课堂上实时投屏实验过程。也有些物理实验操作时间长，甚至实验容易失败，例如《静电场》这一节的实验，容易受潮湿天气的影响。教师可以做两手准备，即课前录制好实验视频，如果课上实验不成功，那么播放实验录像是一种最好的补救方式。
2.2? ? 实验的意义和策略
在物理课程学习中，要结合物理学科的特点，充分地重视实验教学的重要性，通过实验教学让学生学会学习、学会思考、学会想象、学会创新，培养观察能力、发现并提出问题的能力、分析推理能力等综合能力，提高学生的科学素养。
参考文献：
[1]王蓓.创新静电演示实验 提高学生核心素养——以“静电现象的应用”教学为例[J].物理教学，2017，39（11）：23-25.
[2]陈浩.准确定位实验教育价值 提高实验教学的有效性[J].中学物理，2012，30（14）：1-3.
（栏目编辑? ? 王柏庐）
