自组装摩擦纳米发电机实验仪

徐冰艳 苏煬 徐嘉君 杨晓梅

摘   要：立足于中学物理实验，以摩擦纳米发电机为载体自组装实验仪，将二极管、三极管、整流器等电学元件进行组装，设置三个板块分别展示交流电演示实验、传感器实验、摩擦充电实验。通过对实验的操作和实验现象的观察，提高学生的科学思维和实验技能，为中学教师进行摩擦起电、交变电流、电容器充放电、传感器等内容的教学提供创新教具和思路。

关键词：自制教具；摩擦起电；交流电演示；电容器充放电

高中物理“电荷”小节的课标要求是“通过实验，了解静电现象[ 1 ]”。摩擦起电是中学电学的开端，且因为其对摩擦界面的高度灵敏性而被广泛研究[ 2 ]，但由于教具匮乏等原因，学生对摩擦起电缺乏足够认识。本实验仪设置三个实验板块让学生直观地看到摩擦起电现象，体会科学研究方法，并基于所涉及的电学元件特性和原理，为相对应内容的教学提供创新思路和视角。

1  实验仪原理及设计

1.1  摩擦纳米发电机发电原理

本实验仪制作摩擦纳米发电机的材料有：铜箔，聚四氟乙烯薄膜和PET薄膜各一片，薄底板两块，导线两根。将铜箔在聚四氟乙烯薄膜、PET薄膜表粘黏并连接导线，如图1。

摩擦纳米发电机的核心原理是摩擦起电，利用纳米材料（聚四氟乙烯薄膜和PET薄膜）大幅度提高摩擦起电效应。聚四氟乙烯薄膜和PET薄膜分别是易得电子、易失电子材料。当两者正向摩擦时，聚四氟乙烯薄膜得到PET薄膜失去的电子，两者分别带上正负电，分别在薄膜表面安装铜箔作为电极并用导线相连，电子通过电极沿着导线定向移动在外电路形成电流，随后达到静电平衡；当两者反方向摩擦时，电极上的电子将会反向移动以保持静电平衡，从而形成反向电流，于是在外电路中形成方向周期性变化的交流电[ 3 ]。

1.2  实验仪元件

1.3  实验仪装置图

本实验仪分为三个模块，即用三块单独的泡沫板分别展示三个实验，再将其用可活动的合页粘贴，让实验仪既可以平铺成一整块实验板如图2，又可以组合成三棱柱形状。同时在板下放置一个可旋转托盘，使其可以灵活旋转如图3。

2 实验仪的使用

2.1  实验1：交流电演示实验

2.1.1  实验原理

发光二极管具有单向导电性，接上正向电压后才会发光；摩擦起电产生的是交流电，即外电路中电流方向正负交替；将两片发光二极管灯片（由若干发光二极管串联并固定组成）首尾相连并分别与摩擦纳米发电机串联构成回路，电路图如图4。

2.1.2  实验现象

闭合开关，摩擦两块薄膜板时两片发光二极管灯片交替发光如图5。

2.1.3  实验过程

（1）检查实验1电路后闭合开关，摩擦两块薄膜板，观察实验现象；

（2）实验结束后对发电机进行安全放电。

2.2  实验2：传感器实验

2.2.1实验原理

摩擦起电具有高压低流的输出特性，据此可制作传感器[ 4 ]，三极管有放大微小电流的作用，将三极管B端和E端相连构成二级放大电路，剩余的B、E端和摩擦纳米发电机串联成一个分路，C、E端分别接入直流电源的正负极，并与LED灯带串联形成另一个分路，达到利用三极管以摩擦纳米发电机产生的小电流控制直流电源大电流的效果，实验时摩擦纳米发电机相当于一个传感器，电路图如图6。

2.2.2实验过程

（1）检查实验2电路后闭合开关S1、S2，摩擦两块薄膜板，观察实验现象；

（2）实验结束后对发电机进行安全放电。

2.2.3实验现象

闭合开关，摩擦两块发电机薄膜板时LED灯带闪烁且亮度很高如图7，体现了摩擦纳米发电机作为传感器的灵敏。

2.3  实验3：摩擦充电实验

2.3.1实验原理

整流器能将交流电输出为直流电。通过整流器将交流电转化为直流电给电容器充电后对LED灯带放电，将整流器、电容器及发光二极管灯带并联构成回路，电路图如图8。

2.3.2实验过程

（1）检查实验3电路后闭合开关S1，摩擦两块薄膜板，给电容充电；

（2）数次摩擦后，断开开关S1，闭合开关S2让电容放电，观察实验现象；

（3）实验结束后对发电机进行安全放电。

2.3.3实验现象

在数次摩擦两片薄膜板后闭合开关S2，LED灯带瞬间亮起后熄灭如图9。

3  中学物理教学应用

以上三个实验均可作为引入或探究实验在教学“摩擦起电”和“静电的防止与利用”时应用，如通过实验1引入新课，提出“为何摩擦两块薄膜板，发光二级管灯片就会发光？”等问题来驱动学生思考，提高课堂的趣味性；实验2或3作为探究实验，让学生感受摩擦产电能的大小、体会静电应用例子，提高学生探究物理现象的主观能动性，促进其深度学习。

在“能源与可持续发展”一节中三个实验也可以作为能源利用与发展的典型案例，让学生感知科技和时代进步下的生活便利，提高学生节约现有能源、探索其他能源的意识，培养学生的科学精神和对未来社会科技发展的责任感。

在进行本实验中涉及的电学元件特性教学时，也可借助本实验仪进行辅助教学，如展示发光二级管的单向导电性、验证三极管放大微小电流的作用等。加深学生对常用电学元件的了解，在教学中渗透科学的本质。

此外，三个实验还能单独地应用在不同教学情境中：（1）在“交变电流”一节中通过实验1发光二极管灯片的交替闪烁，直观地向学生展示交流电方向周期性变化的特性。（2）在“认识传感器”一节中引入实验2作为传感器的例子，让学生初步了解传感器的概念与作用。（3）在“电容器的电容”一节中通过实验3让学生观察电容器充、放电现象。

4  实验仪的创新点

（1）教学目的上，本实验仪将摩擦纳米发电机引入课堂，加深学生对摩擦起电的理解，体会生活中利用静电的例子，从而提高学生的知识层次，培养学生实验操作的高阶思维。

（2）原理及形态上，本实验仪将摩擦起电和二极管、三极管、整流器等微电子元件相结合，根据其不同的原理构建了三个电学实验，组装形成了一个综合性的电学实验仪，并具有两个形态：自组装平铺形态和可旋转形态。平铺形态便于學生对仪器和实验现象的整体观察及对比，而可旋转形态则便于仪器的携带和单独进行分实验的操作与观察。

（3）教学应用上，本自组装实验仪整体可应用于静电和能源发展方面的教学，分实验能分别应用于不同的教学情境；并且相关电学元件特性也能借助本实验仪辅助教学，真正实现了一仪多用，满足了中学物理教学情境多样化的需求。

5  结束语

本文阐述了自组装摩擦纳米发电机实验仪的原理、构造、使用方法以及在中学物理教学中的应用，完成了三个电学实验。教师可根据教学需求，利用该实验仪在课堂中有针对性地进行演示或探究实验，对学生进行科学思维的培养和方法的指导，引导学生理解物理学本质，增强科学探究能力和解决实际问题的能力，从而促进学生物理核心素养的发展。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S]．北京：人民教育出版社，2020.

［2］ 张立强，冯雁歌，李小娟，等.钢-聚四氟乙烯摩擦界面的摩擦起电行为[J].摩擦学学报，2021，41（6）：983-994.

［3］ 石麟. 高性能摩擦纳米发电机的设计构筑及其能量收集应用研究[D].杭州：浙江大学，2021.

［4］ 韩阳，黄河，赵世昌，等.基于摩擦纳米发电机的气体流量传感器[J].微纳电子技术，2021，58（9）：804-811，850.