自制莱顿瓶在初中电学教学中的妙用

浙江省衢州市菁才中学(324000) 孟湘莲

莱顿瓶的发明，标志着人们开始了对电的本质和特性的研究。它为科学界提供了一种贮存电的有效的方法，对电学知识的传播和发展起到重要作用。莱顿瓶原理简单，制作方便，储存电量多且时间长。自制一个莱顿瓶用于教学，能有效解决静电实验中仪器“电压高易漏电，电量少经不起漏”的难题，实验现象明显，稳定性高，能激发学生学习的兴趣，增加学生对电的直观体验。帮助学生建构电学概念，化解学习难点，领悟科学文化内涵，促进学生对科学本质的理解，增强安全用电意识。

1 莱顿瓶的原理及制作

1.1 莱顿瓶的原理

莱顿瓶实质是一个电容器。图1为莱顿瓶的构造：在一个玻璃瓶子的内壁和外壁上都贴一层锡箔，成为电容器的两个极板，内层用金属链条与伸到瓶口外的金属杆相连，金属杆顶端再装上一个金属球。当带电体跟金属球接触时，带电体上的电荷就会沿着金属杆和链条传到瓶的内壁，电荷就能在里面保存相当长的时间。等需要时，与金属球接触一下，就可以把储存的电荷放出来。

图1 莱顿瓶及其结构示意图

1.2 制作莱顿瓶

用锡箔纸将两个一次性塑料杯的外壁包起来，接口处用胶带贴合，然后将两个杯子紧紧叠在一起。在两杯之间装一个锡纸环和两根长方形锡纸条，让它们与内层锡纸紧贴，简易莱顿瓶制作完毕，如图2所示。用毛巾摩擦PVC管(或气球)，将摩擦过的PVC管(气球)接触锡纸环，重复几次，为莱顿瓶充电备用。教师根据实际情况，可以用矿泉水瓶代替图1的玻璃瓶，瓶外贴一层锡箔，瓶内装满盐水代替锡箔，用感应起电机为莱顿瓶充电。

图2 自制莱顿瓶及其结构示意图

2 莱顿瓶在电学教学中的妙用

2.1 做好静电实验，丰富感性认知

静电实验“意外失败”时有发生，带电体处于高电压、低电量状态，容易通过空气、绝缘体内部和表面将电荷泄露，因此漏电是导致静电实验不稳定的关键原因。莱顿瓶储存电量较多，储电时间长，用来完成静电实验成功率高，趣味性强，能帮助学生观察静电现象，认识静电的特点及电荷间相互作用的规律。

引入新课时，将毛巾摩擦过的PVC管接触锡纸环，学生观察到PVC管在靠近锡纸环时，锡纸环会被吸引，多次接触后，原本贴合的长方形锡纸条逐渐分开，且充电次数越多锡纸条张开角度越大，如图3(a)所示。根据小学所学知识，学生能说出：锡纸环被吸引是因为摩擦后的PVC管带了电，带电的物体能吸引轻小物体。同时会产生好奇：摩擦过的毛巾会不会带电？不带电的物体能吸引带电物体吗？锡纸条为什么会分开？为什么接触越多锡纸条张开的角度越大？

在这些问题的驱动下，进一步实验、观察、分析：如图3(b)所示，将摩擦过的毛巾靠近没充电的莱顿瓶上的锡纸条，可以发现锡纸条能被毛巾吸引，得出毛巾也带了电，为学生理解摩擦起电的本质、建构电子转移的模型提供依据；如图3(c)所示，用不带电的书本靠近锡纸条，锡纸条也能被吸引，直接体验到力的作用是相互的，深刻领悟到两个小球相互吸引时，两个球带异种电荷或其中一个球带电一个不带电；观察到锡纸条分开，归纳出同种电荷相互排斥的规律，为后续验电器教学做好铺垫。增加了学生感性认识的同时，学生提出科学问题的能力、基于事实或证据推理论证的能力，得到较好的发展。

图3 用自制莱顿瓶做静电实验

2.2 历史引探，启迪科学思维

莱顿瓶的发明有一个有趣的故事：穆森布罗克为了寻找一种保存电的方法，他设想电如同水一样是可以流动的流体，那么储存水的方法应该也能储存电。于是，他将水倒入放在绝缘体上的瓶子里，将一根导线的一端插入水中，导线的另一端则与起电器相连，结果一直失败。有一天出于意外，他没有把瓶子放在绝缘体上，而是拿在手里就开始充电，当他的手不小心触碰导瓶盖时，受到了猛烈的电击，几乎跌倒。随后，穆森布罗克尝试用各式各样的瓶子储电，他由此得出结论：把带电体放在玻璃瓶内可以把电保存下来。

在电流、电压的概念教学时展示这一科学史，用莱顿瓶重复当年的电震实验，让若干名学生手牵着手围成一圈，由第一位同学手上拿着充了电的莱顿瓶的外壁，由最后一位同学用手去摸锡纸环，瞬间就会有电震感，既刺激又有趣。实验中，学生直观感受人体是导体，人体为电荷的流动提供了路径，莱顿瓶能够为电荷的流动提供动力。在感性体验的基础上，引导学生将电路类比水管、电压类比水压、电流类比水流，学生理解建构电压和电流的概念，对类比法理解更加透彻。

静电计的教学，教师通常先展示静电计，介绍其结构，告知其工作原理，然后让学生使用静电计检验静电。这一活动中，学生被动接受，静电计所含的物理思想、设计智慧被忽略。教师可以抛出当时科学家思考的问题：莱顿瓶里的电到底有多少？如何测量电量多少？让学生站在科学家的视角来思考问题。当学生遇到思维障碍时，提醒学生再一次观察图3中两张锡纸条张开的实验。学生想到：同种电荷相互排斥，是不是电荷越多排斥的力越大？学生设计实验方案，利用转换的思想：将电荷的多少转化为张角的大小。实验发现摩擦过的PVC管与锡纸环接触次数越多，张开的角度越大，推测出张角越大电荷越多。教师进一步展示静电计，并介绍亨雷、卡瓦洛、贝内特设计的静电计，学生结合探究结果真正理解静电计的工作原理。

基于莱顿瓶和静电计的发明史，按照促进学生对科学本质理解的目标开展教学。学生思考科学家曾经思考的问题，以问题驱动学生开展实验探究，在探究中建构电学概念，在亲历实验探究中掌握科学方法、领悟科学思想、发展创造性思维。

2.3 对比分析，化解学习难点

学生通常认为干电池中储存的是电能，教学中教师往往组织学生死记硬背：干电池中储存的是化学能，使用过程中将化学能转化为电能。由于学生没有深刻认识干电池的本质原理，一段时间后记忆消退，就会记混。在教学中，可以将自制的莱顿瓶和干电池的内部结构(见图4)展示出来。让学生对比分析两者的差异(见表1)。

图4 干电池结构示意图

表1 莱顿瓶和干电池的对比

通过分析表1中的内容，结合莱顿瓶和干电池的使用方法，学生很容易发现莱顿瓶直接储存电能，而干电池是储存化学物质，通过化学物质之间的化学反应释放出电能，促使学生将错误前概念向科学概念转化。

2.4 模拟弧光放电，形成科学态度

将莱顿瓶充好电备用，用导线的一端接触外层杯身的锡纸，另一端逐渐靠近内杯的锡纸环，当距离足够近时，可以观察到导线尖端与锡纸环之间产生电火花，同时听到“噼啪”的放电声。学生寻找生活中类似的现象：雷电、插插头的瞬间在插孔里有电火花、脱毛衣时有电火花。在解释原因时，学生通常认为是带电体相互接触时放电，教学时再次让学生观察莱顿瓶放电实验，发现放电时导线和锡纸环并没有接触，学生瞬间明白空气并不是绝对不导电的，高压电能击穿空气导电。“防止静电火花带来的灾害”“不接触低压带电体，不靠近高压带电体”等安全用电意识瞬间深入人心。