创新静电现象实验 提高物理课堂效能

王 蓓

(浙江金华第一中学 浙江 金华 321015)

物理静电演示实验教学是高中物理课堂教学的难点，也是广大教师访谈的焦点.因为电场看不见摸不着却真实存在，学生难以理解，心存畏怯.为了让学生感性地认识电场，教师讲授时采用多种形式进行教学，例如图片、PPT、动画、视频等，但依旧不能激发学生学习兴趣，调动学生思维.

千言万语道不清，一看实验就分明，实验是物理这门学科的魂.我们可以进行学生实验、演示实验和课外实验.由于静电实验对环境要求高，实验现象细微，危险性略强等因素，采用演示实验的方式比较妥当.它能够起到激发兴趣、加深理解、巩固记忆、促进思考、培养能力等作用.下面就以“静电现象的应用”这节课为案例，创新设计静电演示实验，以期提高学生的核心素养.

1 静电平衡状态下的电势

1.1 理论分析

处于静电平衡状态的导体，内部的电场处处为零.再根据电势差与电场强度的关系可知，导体上各点的电势都相等，所以处于静电平衡状态的整个导体是等势体.

1.2 模型设置

(1)测电势差的仪器有哪些？

(2)若导体是等势体，静电计产生什么现象？

(3)若导体不是等势体，静电计产生什么现象？

(4)如何让导体在等势体和非等势体两种状态之间进行切换？

(5)建立模型，构思草图(图1，图2).

图1 金属桶A与B相互接触

图2 金属桶A与B相互分开

1.3 创新实验

实验仪器：

起电机，易拉罐(2个)，静电计，红外灯，导线若干.

实验步骤：

先开启红外灯，烘干仪器周围的空气.按照图3所示，从左到右依次摆放的顺序是起电机、易拉罐A、易拉罐B以及静电计.用导线将易拉罐A与静电计上端的金属小球相连，用另一根导线将易拉罐B与静电计金属外壳的下端相连.接下来缓慢手摇起电机，让起电机带电，观察此时静电计中的两片金属箔的情况.最后易拉罐A固定不动，把易拉罐B向右移动一些，观察此时静电计中两片金属箔的情况变化.实验结束整理仪器.

图3 验证等势体实验装置

实验现象：

(1)易拉罐A与易拉罐B相互接触时，静电计中的两片金属箔竖直向下并重合在一起，验证了此时AB整体是一个等势体.

(2)固定易拉罐A，移动易拉罐B，静电计中的两片金属箔之间产生张角，验证了此时因为距场源电荷的远近不同存在电势高低差异，它们不是等势体.

1.4 反思小结

通过教师的讲解，处于静电平衡状态的整个导体是等势体这个结论学生不难接受，但是没有感性的认识，难以与结论达到共鸣.通过实验，促进学生的思考，将结论印在脑海中.其实演示实验是学习物理的一条十分有效的学习途径，可以起到事半功倍的效果.

2 静电平衡状态下的电荷分布

2.1 理论分析

根据自然界最简单的理论——同种电荷相互排斥，可得导体中的电荷会被排斥到载体的最远处，即外表面与尖端.所以导体上的电荷分布有以下两个特点：

(1)导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面.

(2)在导体外表面，越尖锐的位置电荷的密度越大，凹陷的位置几乎没有电荷.

2.2 模型设置

(1)检验电荷的仪器有哪些？

(2)如何让金属导体带电，并确保所带电荷量基本稳定不变？

(3)哪种金属制品能很好地展现电荷分布情况？

(4)建立模型，构思草图.

2.3 创新实验

实验仪器：

起电机,电水壶,静电计,带有塑料手柄的金属大球,红外灯,导线若干.

实验步骤：

先开启红外灯，烘干仪器周围的空气.如图4所示，用导线将起电机的放电球与电水壶相连，验电器置于电水壶的另一侧.缓慢手摇起电机，使得金属水壶带电.手握塑料柄，使金属大球与电水壶的不同部位相接触，再与静电计上端的金属小球相接触，检验带电情况.

图4 探究电荷分布实验装置

实验现象：

与电水壶外表面相接触后，静电计中的两片金属箔之间产生张角.而与电水壶内表面相接触后，静电计中的两片金属箔依旧保持竖直向下并重合的状态.验证了导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面.

与壶身的外表面相接触后，静电计中的两片金属箔之间产生张角，与壶嘴相接触后，静电计中的两片金属箔之间也产生张角.但是不同的是：前者张角的程度小于后者张角的程度.验证了在导体外表面，越尖锐的位置电荷的密度越大.

2.4 反思小结

本实验的整体构思与操作步骤并不难完成，而该实验的亮点就在于金属导体的选择——电水壶.电水壶不仅仅有内外表面，还有微圆的壶身和尖锐的壶嘴.两个结论，在同一个导体上体现，简单方便，清晰明了.而且电水壶是我们生活中常见的物品，从电水壶上得到的结论有非常强的说服力和普遍性，可以激发学生的学习兴趣，还能让学生体会到物理源于生活.

3 静电屏蔽的对比实验

3.1 理论分析

基于对静电平衡状态下导体的分析研究，若处于电场中的导体内部有一个空腔，空腔内也能达到电场处处为零.把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，由于壳内电场强度保持为零，外电场对壳内的仪器不会产生影响.此时金属壳的这种作用叫做静电屏蔽.

3.2 模型设置

(1)如何操作能在空间产生电场？

(2)什么样的金属制品能看见其内部？

(3)怎样的物品进行静电屏蔽对比实验现象有明显的区别？

(4)现象分别是什么？

(5)建立模型，构思草图.

3.3 创新实验

实验仪器：

起电机,金属笼,静电羽(两根),红外灯.

实验步骤：

先开启红外灯，烘干仪器周围的空气，按照图5所示将仪器放置于实验桌上.缓慢手摇起电机，让起电机带电，请学生注意观察金属笼内外的两根静电羽的区别.

图5 静电屏蔽对比实验实验装置

实验现象：

缓慢手摇起电机，电荷聚集在放电球上.金属笼外的静电羽因为带电物体可以吸引轻小物体这个特点而张开.金属笼内的静电羽却依旧保持原来的自然下垂状态.可知：金属笼内的电场强度保持为零，金属笼此时起到静电屏蔽的作用.

3.4 反思小结

就静电屏蔽这个实验而言，我们采用对比实验，效果会更加生动鲜明、形象深刻.在选择静电羽方面，我们尝试了很多种材质，试图选择现象最明显的.如图6所示，左边是传统的静电羽，由红色的纤维绳制成，右边的是由生活中镀有铝塑膜的食品塑料袋剪切捆绑而成.进行实验时，发现后者产生的现象远明显于前者.

图6 静电羽对比

4 意义与体会

物理实验作为一种特殊形式的知识载体，自身就具有直观、生动、形象和有趣的特点.在物理实验教学中，教师是实验教学过程中的促进者和合作者，学生才是实验教学过程的主体参与者.

在实验设备短缺或危险系数略高的情况下，教师通过演示实验向学生们展示丰富多彩的物理现象，在实验的过程中“师引导，生思考，师操作，生细看”成了一道亮丽的风景，帮助引导学生直观、形象地理解物理现象的变化规律，形成物理概念.不仅如此，在学校条件允许的情况下，尽可能多地开展学生实验，不仅可以加强学生的动手能力，体验物理规律形成的艰辛，还能树立科学创新精神.而课外，教师还可以选择合适的题目作为探究课题，鼓励学生大胆进行物理实验，并倡导充分利用身边的物品，让学生从中获得更为直观的科学知识，完全实现学生从被动接受知识向主动获取知识进行转化.教师在设计教学时必须大胆创新优化演示实验，真正提高学生的物理核心素养.

1 人民教育出版社.普通高中课程标准实验教科书物理·选修3-1.北京：人民教育出版社，2010.24～28