用塑料丝模拟电场线真的对吗

文艺臻 孙雅馨 张殷

摘   要：演示实验有助于激发学生的兴趣，增强学生的感性认知，但教师在做演示实验时应避免只追求科学现象的震撼而忽视实验本质。演示实验最重要的是抓住科学的本质，而不是追求形的相似。近年来出现了一种塑料丝模拟点电荷电场线的实验，看似能生动展示同种和异种点电荷的电场变化，然而该实验并不能完全准确地模拟点电荷的电场线，研究将从分析实验原理出发说明该演示实验的问题。

关键词：演示实验；电场线；物理实验；实验本质

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）8-0053-3

１    演示实验

演示实验是教师展示教学艺术的独特手段，能够化枯燥为生动，所以在实验当中，教师通常会采用易于观察的、给人以震撼的现象［１］。因为新奇的实验现象常常会超乎学生的意料，从而引发学生的兴趣并激起强烈的求知欲，将学生从感性认识转变为理性的思考。

演示实验在中学物理教学中的作用主要在于：（１）利用真实且形象生动的演示激发学生学习物理的兴趣和学习欲望；（２）利用演示所展示的现象和过程向学生提供必要的生动的感性认识；（３）利用演示揭示研究对象的本质，帮助学生透过表面现象认识事物的本质；（４）利用演示培养学生的多种能力［２］。

抓人眼球的演示实验有助于激发学生的兴趣，但是演示实验的核心是帮助学生透过表面现象认识事物的本质。最近网络上有一种比较新颖的电场线模拟实验，运用塑料丝就可以模拟点电荷的三维电场线，但是这个实验能否真的模拟点电荷的电场线还有待商榷。接下来，从发丝实验的原理和塑料丝实验的原理进行分析讨论。

２    电场线模拟实验

从发丝实验的原理和塑料丝实验的原理进行分析讨论。

２．１    发丝实验

在２０１9年版人教版高中物理必修第三册课本实验中，通过演示头发碎屑在蓖麻油中受电场力的作用模拟电场线的实验（以下简称“发丝实验”），将头发碎屑放置于蓖麻油中，随后加上电场，悬浮于蓖麻油中的头发碎屑就会随着电场方向排列，从而模拟了电场线，模拟图像如图１所示。

运用发丝模拟电场线的原理大致如下，头发碎屑是由蛋白质构成，同时也是微小物体，本身并不显电性，把头发碎屑看作一个圆柱体，正常情况下正负电荷在圆柱体内部是随机分布的（图２）。

把头发碎屑置于如图３所示的水平向右的电场中时，头发碎屑内的电荷会因为外部电场的影响，导致负电荷移动，使得发丝的两端显示异种电性，这样头发碎屑受到电场力，会在电场中发生转动，直到与电场线方向平行才会静止，最后展示出来的效果就是无数的发丝沿着电场线的方向进行排列，这样来模拟电场线是符合科学原理的。

点电荷的电场线模拟也是相同的，运用圆柱体模拟头发丝，当没有外电场时，圆柱体内的自由电荷如图４所示，各个自由电荷的运动方向是杂乱无章的，因发丝不带电，故发丝（圆柱体）内运动的正负电荷数数量相等。

当加入一正点电荷后，各个发丝会由于点电荷的电场，从而使得头发丝内的自由电荷受到点电荷的电场力，从而头发丝会偏转，最后停在與电场线平行的方向，负电荷会在头发丝靠近正点电荷的一端，靠近正点电荷的一端会显负电（图５）。

在整个过程中，发丝是水平放置的，那么发丝在竖直方向上理应受到大小相等、方向相反的重力与蓖麻油所提供的浮力，才能够静止在蓖麻油中。而水平方向上应受到静电力和微小的阻力。在高中物理进行这个实验时，由于需要将蓖麻油和头发压在两块玻璃板之间，并接上电源，两块玻璃板一般不大，所以在实验中现象不是很明显，时常需要借助投影仪以及其他技术设备才能被每个学生观察到。

２．２    塑料丝实验的操作步骤介绍

近来网络和各类教学技能比赛中出现了一种使用塑料丝模拟点电荷电场线分布的新方法（图６）。整个操作流程如下：

首先，选取一个绝缘板作为底座，再取一个绝缘的塑料棒或亚克力棒作为支撑。随后将平时生活中常用的塑料绳截取一段下来，在其中央打一个死结，用来固定。此时塑料绳的中间有了一个结点，以结点为一端，将另外的绳子顺到另一端，之后用梳子梳理绑好的塑料绳。从而使得塑料绳变为一条条极细的塑料丝线，之后运用摩擦起电原理，将毛皮不断地在塑料丝线上摩擦，使得塑料丝线上带上了电，如果想要带上另一种电荷，用塑料袋摩擦丝线即可。之后将棉线穿过绝缘棒，将其固定在绝缘板上，用力一抖，塑料丝线便会漂浮在空中，形成一个球体，许多人将其用来模拟点电荷形成的电场线。这种使用塑料丝模拟点电荷电场分布的方法具有一定的启发性，但这样真的可以看作点电荷的电场线吗？

２．３    塑料丝实验原理及与发丝实验的区别

摩擦后的塑料丝确实呈现出与点电荷电场线相似的形状，然而，从实验原理上讲，这种形状并不足以作为点电荷电场线分布的准确模拟。

从实验原理的角度来分析，实验中通过摩擦起电原理使塑料丝带电后，塑料丝受到静电排斥力，使其分散形成一个球体，每根塑料丝能够静止在空中，自身受到重力和其他塑料丝的电场力，以及绳子的拉力。塑料丝所受到的静电力并非来源于其球心，而是来源于其周围的其他塑料丝带电所产生的静电力，此实验仅展示了静电力在空间中的排斥效应，并不能直接展示电场线的分布。而在原先的点电荷电场线模拟实验中，头发碎屑所受的主要的静电力来源于其中心的点电源。塑料丝模拟电场线与传统点电荷电场线模拟实验（如使用头发碎屑）有显著差别。

在电场概念的教学中，教材通过引入一个试探电荷来测试电场的存在。然而，试探电荷的要求是其带电量应远小于中心点电荷的电荷量。在塑料丝实验中，中心并没有点电荷存在，而且任一塑料丝受到的静电力均来源于其周围的塑料丝，且它们的电荷量大致相同。因此，我们不能将这种实验与点电荷的电场视为相同，尽管它们的形状具有相似性。

塑料丝实验可能对于直观地感受静电力有一定帮助，但并不能准确地模拟点电荷的电场线分布。在深入研究电场概念时，我们需要采用更严谨的方法，以获得更准确的电场线分布。

３    教学思考

这种使用塑料丝模拟点电荷电场分布的方法具有一定的启发性，是一次新的尝试，但它并不能完全准确地表示点电荷的电场线，看似能够形象清晰地为学生模拟点电荷电场线的分布，更是可以将同种和异种点电荷相互靠近时其电场的变化生动灵活地体现出来，将抽象的电场转变为实际的现象。

这个实验看似是一个生动形象的演示实验，但其实却违反了演示实验最本质的要求，即演示实验需要研究对象的本质，本来是帮助学生透过表面现象认识事物本质的途径，却成为学生理解电场线概念的“拦路虎”。

４    教学建议

如果教师要将塑料丝模拟实验运用于教学，不可以直接将其称为点电荷的电场线。其一，电场线本是为了方便研究电场，继而人为画出的线条。其二，无论是模拟单个点电荷亦或是模拟同种和异种点电荷之间的电场线，其原理都与真实的点电荷电场有所出入。明明教师是将塑料丝摩擦以后，塑料丝才能静止在空中，也没有点电荷的出现，但如果说这是點电荷的电场，不但不会加深学生的理解，反而会混淆学生对电场的理解。

塑料丝实验在教学中具有一定的启发性作用，但同时也要关注其局限性。教师需要在实验过程中适时对学生进行引导，确保学生能够正确理解和掌握电场的相关概念。

５    总  结

实验本身的意义是培养学生严谨的态度和作风，不论实验的现象多么令人震撼，如果只是凸显实验现象而忽略了实验的本质原理，这与我们想要培养学生科学探究的目的是南辕北辙的。演示实验最重要的作用就是探究科学的本质，而不是追寻外形的相似。

参考文献：

［１］孙龙周． 物理演示实验教学的功能、现状及创新路径［Ｊ］． 物理教学，２０１８，４０（１２）：44-48，51．

［２］阎金铎，郭玉英．中学物理新课程教学概论［Ｍ］．北京：北京师范大学出版社，２００８：１１４－１１８.

（栏目编辑    刘   荣）