王 蓓

(浙江金華第一中學(xué) 浙江 金華 321015)

物理靜電演示實驗教學(xué)是高中物理課堂教學(xué)的難點，也是廣大教師訪談的焦點.因為電場看不見摸不著卻真實存在，學(xué)生難以理解，心存畏怯.為了讓學(xué)生感性地認(rèn)識電場，教師講授時采用多種形式進(jìn)行教學(xué)，例如圖片、PPT、動畫、視頻等，但依舊不能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生思維.

千言萬語道不清，一看實驗就分明，實驗是物理這門學(xué)科的魂.我們可以進(jìn)行學(xué)生實驗、演示實驗和課外實驗.由于靜電實驗對環(huán)境要求高，實驗現(xiàn)象細(xì)微，危險性略強等因素，采用演示實驗的方式比較妥當(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)計靜電演示實驗，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

1.1 理論分析

處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部的電場處處為零.再根據(jù)電勢差與電場強度的關(guān)系可知，導(dǎo)體上各點的電勢都相等，所以處于靜電平衡狀態(tài)的整個導(dǎo)體是等勢體.

1.2 模型設(shè)置

(1)測電勢差的儀器有哪些？

(2)若導(dǎo)體是等勢體，靜電計產(chǎn)生什么現(xiàn)象？

(3)若導(dǎo)體不是等勢體，靜電計產(chǎn)生什么現(xiàn)象？

(4)如何讓導(dǎo)體在等勢體和非等勢體兩種狀態(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

1.3 創(chuàng)新實驗

實驗儀器：

起電機，易拉罐(2個)，靜電計，紅外燈，導(dǎo)線若干.

實驗步驟：

先開啟紅外燈，烘干儀器周圍的空氣.按照圖3所示，從左到右依次擺放的順序是起電機、易拉罐A、易拉罐B以及靜電計.用導(dǎo)線將易拉罐A與靜電計上端的金屬小球相連，用另一根導(dǎo)線將易拉罐B與靜電計金屬外殼的下端相連.接下來緩慢手搖起電機，讓起電機帶電，觀察此時靜電計中的兩片金屬箔的情況.最后易拉罐A固定不動，把易拉罐B向右移動一些，觀察此時靜電計中兩片金屬箔的情況變化.實驗結(jié)束整理儀器.

圖3 驗證等勢體實驗裝置

實驗現(xiàn)象：

(1)易拉罐A與易拉罐B相互接觸時，靜電計中的兩片金屬箔豎直向下并重合在一起，驗證了此時AB整體是一個等勢體.

(2)固定易拉罐A，移動易拉罐B，靜電計中的兩片金屬箔之間產(chǎn)生張角，驗證了此時因為距場源電荷的遠(yuǎn)近不同存在電勢高低差異，它們不是等勢體.

1.4 反思小結(jié)

通過教師的講解，處于靜電平衡狀態(tài)的整個導(dǎo)體是等勢體這個結(jié)論學(xué)生不難接受，但是沒有感性的認(rèn)識，難以與結(jié)論達(dá)到共鳴.通過實驗，促進(jìn)學(xué)生的思考，將結(jié)論印在腦海中.其實演示實驗是學(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)自然界最簡單的理論——同種電荷相互排斥，可得導(dǎo)體中的電荷會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特點：

(1)導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷，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，凹陷的位置幾乎沒有電荷.

2.2 模型設(shè)置

(1)檢驗電荷的儀器有哪些？

(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)新實驗

實驗儀器：

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

實驗步驟：

先開啟紅外燈，烘干儀器周圍的空氣.如圖4所示，用導(dǎo)線將起電機的放電球與電水壺相連，驗電器置于電水壺的另一側(cè).緩慢手搖起電機，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，再與靜電計上端的金屬小球相接觸，檢驗帶電情況.

圖4 探究電荷分布實驗裝置

實驗現(xiàn)象：

與電水壺外表面相接觸后，靜電計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，靜電計中的兩片金屬箔依舊保持豎直向下并重合的狀態(tài).驗證了導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面.

與壺身的外表面相接觸后，靜電計中的兩片金屬箔之間產(chǎn)生張角，與壺嘴相接觸后，靜電計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)

本實驗的整體構(gòu)思與操作步驟并不難完成，而該實驗的亮點就在于金屬導(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.兩個結(jié)論，在同一個導(dǎo)體上體現(xiàn)，簡單方便，清晰明了.而且電水壺是我們生活中常見的物品，從電水壺上得到的結(jié)論有非常強的說服力和普遍性，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能讓學(xué)生體會到物理源于生活.

3 靜電屏蔽的對比實驗

3.1 理論分析

基于對靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的分析研究，若處于電場中的導(dǎo)體內(nèi)部有一個空腔，空腔內(nèi)也能達(dá)到電場處處為零.把一個電學(xué)儀器放在封閉的金屬殼里，即使殼外有電場，由于殼內(nèi)電場強度保持為零，外電場對殼內(nèi)的儀器不會產(chǎn)生影響.此時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？

(2)什么樣的金屬制品能看見其內(nèi)部？

(3)怎樣的物品進(jìn)行靜電屏蔽對比實驗現(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)新實驗

實驗儀器：

起電機,金屬籠,靜電羽(兩根),紅外燈.

實驗步驟：

先開啟紅外燈，烘干儀器周圍的空氣，按照圖5所示將儀器放置于實驗桌上.緩慢手搖起電機，讓起電機帶電，請學(xué)生注意觀察金屬籠內(nèi)外的兩根靜電羽的區(qū)別.

圖5 靜電屏蔽對比實驗實驗裝置

實驗現(xiàn)象：

緩慢手搖起電機，電荷聚集在放電球上.金屬籠外的靜電羽因為帶電物體可以吸引輕小物體這個特點而張開.金屬籠內(nèi)的靜電羽卻依舊保持原來的自然下垂?fàn)顟B(tài).可知：金屬籠內(nèi)的電場強度保持為零，金屬籠此時起到靜電屏蔽的作用.

3.4 反思小結(jié)

就靜電屏蔽這個實驗而言，我們采用對比實驗，效果會更加生動鮮明、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)行實驗時，發(fā)現(xiàn)后者產(chǎn)生的現(xiàn)象遠(yuǎn)明顯于前者.

圖6 靜電羽對比

4 意義與體會

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

在實驗設(shè)備短缺或危險系數(shù)略高的情況下，教師通過演示實驗向?qū)W生們展示豐富多彩的物理現(xiàn)象，在實驗的過程中“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、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，盡可能多地開展學(xué)生實驗，不僅可以加強學(xué)生的動手能力，體驗物理規(guī)律形成的艱辛，還能樹立科學(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，鼓勵學(xué)生大膽進(jìn)行物理實驗，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的科學(xué)知識，完全實現(xiàn)學(xué)生從被動接受知識向主動獲取知識進(jìn)行轉(zhuǎn)化.教師在設(shè)計教學(xué)時必須大膽創(chuàng)新優(yōu)化演示實驗，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)實驗教科書物理·選修3-1.北京：人民教育出版社，2010.24～28