静电演示实验及其原理探究方式的研究

1、物理教学论实验教程 静电演示实验及其课堂教学情景创设技能的研究实验四 静电演示实验及其课堂教学情景创设技能的研究一、探究理念综述：教学情景是课堂教学十分重要的教学要素。为有效实现课堂教学三维目标，依据现代教学理念，对所要创设的教学情景一般要求做到，既要有利于学生积极主动参与学习和在学习中能获得内心体验，又要有利于学生在学习活动中把握知识的主要特征、感悟知识背后所蕴涵的科学思想、科学方法以及在学习活动中体验“学以致用”的设计灵感。本实验专题将以中学物理教学中的静电教学内容为切入点，以相关的系列静电演示实验为载体，通过对静电现象的知识特性、应用价值、实验操作技能等学科教育教学内容的探索，就教学情景

2、的情景特征、教学功能与价值以及实践其教学价值应把握的实践策略等问题进行活动体验和实践感悟。 二、学科知识综述：见本实验专题附录三、探究内容：本专题将以下列五组演示实验为载体，就静电现象的知识特性、静电现象的应用价值、静电现象的实验技能以及静电现象的教学设计等学科教学问题进行探究。1、探寻生活中的静电现象2、起电方法的实验探究3、起电器工作机理的实验探究4、静电特性的实验探究5、静电的利用与防范四、探究资源：1、静电系列演示实验2、中学物理仿真实验（静电学部分）3、中学物理教材（静电学部分）五、探究导航：1、探寻生活中的静电现象发现问题和生成课题是开展科学实践活动的重要环节。本探究专题将以一组生

3、活中的静电现象为切入点，就教学过程中教学情景的创设及其情景教学功能的挖掘等学科教学问题进行体验与感悟。趣闻轶事 从生活走向物理1.1探寻生活中的静电现象在生活中，你有过如下经历吗？干燥的冬天里，头发梳而不顺；脱毛衣时伴有火星及“劈啪”之声；手触金属物时偶尔会遇到神秘一击；清洁卫生时，灰尘有时挥之不去； 在工作中，你知道以下防护措施吗？在高压带电作业中，电工要穿上导电纤维制成的工作服；在电子产品制造中，工人也要穿上渗有金属纱的工作服；高楼无论多么宏伟，为了保护自己都少不了“一根针”； 图一当你看图一所示的图片后，你一定会被大自然的奇观所震撼。震撼之余轶事思索：指出上述情景具有的情景特征。简述应如

4、何利用这样的情景来引发学生发现问题和生成课题。在实际教学中应该采取怎样的教学手段与途径来呈现这样的情景资源。 在实际教学中要呈现这样的情景需要把握怎样的教学策略。1.2“怒发冲冠”实验现象的情景再现如图二所示，现代科技馆中有一种被称之为“怒发冲冠”的游戏，很受参观者欢迎。当参观者站在绝缘的平面上并用手触摸通有高压电的金属球后，参观者的头发会竖立起来。针对上述情景，思考并回答以下问题：简述该情景具有怎样的情景特征。依据以上关于情景的描述，指出进行该情景演示时需要 把握哪些实验操作要素。 图二比较用图片或实验演示等不同的方法呈现教学情景时需要把握的情景呈现策略。活动感悟简述作为引入新课的教学情景应

5、该具有的情景特征。要有效发挥教学情景的教学功能需要把握怎样的教学环节。在实际教学中应该采取怎样的教学策略来保证这些教学环节的有效实施。2、起电与带电方法的实验探究以实验的途径与方法去呈现物理现象、去揭示物理原理，并在此过程中将教学的视角聚焦到引导学生去透视和感悟实验中的认知要素，是现代教学竭力倡导的教学理念。本专题将以一组趣味的静电现象为载体，就实践上述教学理念进行探究。实验探究 起电方法的实验探究2.1摩擦及感应起电现象的实验演示如图三所示，整个实验装置主要由盛水容器、玻璃管、接水盘、有机玻璃棒、丝绸、验电仪、导线等组成。请按照以下提示，完成实验操作：按照图三所示的要求连接好实验装置。打开水

6、流开关，使水柱经玻璃管后斜射到接水盘。用丝绸与有机玻璃棒相摩擦。将摩擦后的有机玻璃棒靠近经玻璃管射出的水柱。 图三在进行上述实验操作的时候，注意观察、记录实验现象，在此基础上思考并回答以下问题：描述你的实验现象，由此概括出物理实验中常用的起电方法。简要概述在由实验总结概括出起电方法种类时，需要重点关注的认知过程。你认为用这样的实验途径和方法来呈现和揭示常用的起电方法具有怎样的教学特点。在实验操作的基础上，指出要做好该实验应注意把握哪些操作和解析要素。2.2滴水起电现象的实验探究图四是一个被称之为滴水起电的实验装置。该实验装置主要由相互绝缘的两个空心金属桶、一个三通水管、两个接水盘、盛水杯以及验

7、电仪等构成。在仔细了解实验装置结构特征的基础上，按照以下提示，完成实验操作：按照图四所示的要求连接好实验装置。在仪器顶端的盛水杯中加入适量的水。打开水流控制开关，让水流通过金属环流入接水盘中。观察并记录水流和验电器指针的变化情况。在完成上述实验操作的基础上，思考并回答以下问题： 描述并解释你所观察到的实验现象。 图四分析该实验的设计原理，指出其中所蕴涵的认知要素。你认为做好这一实验的关键要素有哪些？分析该实验具有的情景特征，生成一份能呈现其教学价值的教学演示方案。实验探究 带电方法的实验探究2.3用静电感应法使物体带电的实验探究如图五所示，给你一根有机玻璃棒、一块丝绸，两个半柱形绝缘导体。请利

8、用这些器材，完成以下实验任务：设计一个能使半柱形绝缘导体分别带上不同电荷的教学演示实验。在明晰实验任务的基础上，进行以下实际操作。 图五给出你的实验方案。依据实验进行实验操作，记录你的操作过程。 在实际操作的基础上，思考并回答以下问题：用图示法表征实验过程中半柱形绝缘导体中电荷分布的变化情况。 以这样的方法来认知使物体带电的方法具有怎样的教学特征与价值。你认为在用上述实验方法使导体带电操作时应把握那些主要操作要素。2.4验电器工作原理的实验探究如图六所示，给你一根有机玻璃棒、一块丝绸，一个验电仪。在仔细了解验电仪结构的基础上，请利用这些器材，完成以下实验任务：分别用接触与静电感应的实验方法使验

9、电仪带电。在明晰实验任务的基础上，进行以下实际操作。给出你的实验方案。依据实验进行实验操作，记录你的操作过程。在实际操作的基础上，思考并回答以下问题：结合实验现象解析验电仪的工作原理。 图六指出用不同的实验方法使验电仪带电时应把握的主要操作要素。活动感悟分析并指出实验类教学情景具有的情景特征。在实际教学中应该采取怎样的教学策略来引导学生去透视和感悟实验中的认知要素。3、起电机工作机理的实验探究起电机是开展静电实验研究不可缺少的重要实验装置。本专题将以物理实验室最常用的起电机为载体，在了解其使用方法的基础上，通过进一步探究其工作机理，就如何开发实验装置的教学功能等问题进行探究。实验探究 起电机工

10、作原理的实验探究3.1手摇式起电机工作原理的实验探究图七是一台维氏起电机。它主要由：两块互相平行且贴有许多金属箔片的玻璃圆盘、两把带有金属细丝的电刷、两把带有针尖电梳的集电杆、两头分别装有绝缘手柄和金属小球的放电杆、两个莱顿瓶、由皮带轮组成的传动系统等部件构成。在初步了解实验装置的结构后，请按照给定的操作提示实际做一下。观察并记录你所看到的实验现象。 图七手握放电杆的绝缘手柄，将金属小球稍微分开一定的距离。 顺时针方向摇动传动系统的手柄，观察实验现象。用手握放电杆的绝缘手柄，先将金属小球接触一下，再将放电杆之间的距离拉大一些。再次顺时针方向摇动传动系统的手柄，观察实验现象。在完成上述操作的基础

11、上，思考并回答下列问题：描述你所看到的实验现象。简述该实验现象所揭示的物理原理。分析并指出为什么这样的装置，经过这样的操作会出现你所看到的实验现象？如果逆时针摇动传动系统的手柄，又会出现怎样的实验现象? 解释你所看到的实验现象。提示：起电机是很好的静电发生仪器，在做静电实验时一定要注意安全，实验过程中不要用手接触金属、导线等可能带有静电的物体。若使用了起电机，实验完毕，必须先将两根放电杆靠近放电，再拆除导线或移动仪器。3.2范德格拉夫起电机工作原理的实验探究图八是一台范德格拉夫起电机装置，请按照仪器使用说明书的要求，完成下列学习任务：了解起电机的结构及其主要部件的工作特征。将飞轮放在金属球体的

12、顶端，利用电动方式使皮带轮转动。在完成上述操作的基础上，思考并回答下列问题：观察顶部飞轮的出现的实验现象，解释飞轮出现的实验现象。分析并指出为什么这样的装置，经过这样的操作会出现这样的实验现象？ 图八实验拓展 高压放电现象的实验展示3.3雅格布天梯现象的实验观察图九是一种演示高压放电现象的大型实验仪器，它主要由一对下宽上窄、顶部呈羊角形电极以及高压发生器等组成。在了解实验装置主要结构的基础上，进行以下实验操作：打开电源开关，等红灯亮后，按动绿色的操作开关。观察并记录你所看到的实验现象。在完成上述操作的基础上，思考并回答下列问题：描述你所看到的实验现象。分析并指出该实验现象主要蕴涵哪些物理学原理

13、。与上述实验现象相比较，它们具有哪些异同点。 图九3.4辉光球现象的实验观察图十是辉光球又称为电离子魔幻球，它的外观是高强度玻璃球壳，球内充有稀薄的一种或多种惰性气体（如氩气等），玻璃球中央有一个球状电极，电极上通有高压高频电压。在了解辉光球主要结构的基础上，按照以下操作要求，完成实验任务。 接通电源观察辉光球出现的现象。用手接触球的外壳，观察球内辉光的变化。在完成上述操作的基础上，思考并回答下列问题：描述并解释你所看到的实验现象。生成一份展示辉光球放电现象的演示讲稿。梳理并指出进行实验演示时应该把握的主要演示步骤。 图十3.5辉光盘现象的实验观察 图十一所示的是辉光盘，利用它可以演示二维的高

14、压放电现象。 在了解辉光盘结构的基础上，按照以下操作提示，完成二维高压放电现象的实验演示。接通电源观察辉光盘出现的现象。用手接触辉光盘的外壳，观察辉光盘内辉光的变化。在完成上述操作的基础上，思考并回答下列问题： 描述并解释你所看到的实验现象。比较辉光球与辉光盘的高压放电现象，指出它们的异同点.活动思考： 图十一细心观察的人会发现，不论是闪电还是辉光球，高压放电所产生的轨迹都是弯弯曲曲的，这又是为什么呢？ 试着阅读下列短文，看看能不能帮助你回答上述问题。 美国国家气象局的内泽特·赖德尔认为，每当暴风雨来临，雨点获得额外的带负电的电子，这些电子会追寻地面上的正电荷。额外的电子流出云层后，

15、要碰撞别的电子，使别的电子也变成游离电子，因而产生了传导性轨迹。传导的轨迹会在空气中散布着的不规则形状的带电离子群中间跳跃着迂回延伸，而一般不会是直线。所以，闪电的轨迹总是蜿蜒曲折的。辉光球中蜿蜒的弧线也是同样的道理。活动感悟在对起电机工作机理进行实验探究的基础上，指出该实验装置还具有哪些实验功能。简述认知起电机的工作机理具有怎样的教学价值。4、静电特性的实验探究物理实验是再现物理现象的重要途径和手段，从认知的视角来审视物理实验的认知特征及其具有的教学功能，是有效实践使学生在掌握知识的同时，学会认知的重要教学举措。本专题将通过对三组静电实验的探究来体验和感悟上述探究目标。实验探究 静电力学特性

16、的实验探究4.1静电跳球现象的实验演示将两块水平放置的圆形金属铝板与圆柱形透明有机玻璃组合成如图十二所示的实验装置，在该实验装置中放置有许多锡箔团成的小球。在了解实验装置的基础上，按照下面的提示进行实验操作： 用导线将起电机两放电杆分别与装置的两块铝板相连接。 顺时针摇动起电机手柄。 观察、记录你的实验现象。 4.2静电乒乓现象的实验演示 图十二如图十三所示，在两块竖直放置的平行金属铝板之间用绝缘绳悬挂一个涂覆金属膜的乒乓球。利用该实验装置进行以下操作，观察并记录你所看到的实验现象。用导线分别将起电机的两根放电杆与两块金属板相连接。 调节小球位置，使其略偏向于某一金属板。顺时针摇动起电机手柄，

17、观察小球运动情况。 图十三 4.3静电振动现象的实验演示如图十四所示，将两块金属盘竖直放置，上盘用弹簧固定在支架上，下盘固定在支架底座上，两盘之间相距很小一段距离。在了解实验装置基本结构的基础上，完成以下实验任务：利用以上实验装置，设计一个具有“静电打击乐”特征的演示实验。给出你的实验方案，进行演示操作，观察并记录实验现象。在完成以上实验任务的基础上，思考并回答下列问题：描述并解释你所看见的实验现象。简述该实验现象具有怎样的学科价值。在认知实验现象的学科价值时，需要把握怎样的思维脉络。梳理并指出以上三个实验各自具有怎样的演示特征。 图十四4.4静电电偶现象的实验演示如图十五所示，在透明的塑料箱

18、内悬挂着很多火柴棒，火柴棒可以自由旋转。在透明塑料箱两侧放置两块金属板。思考一下，该实验装置可以模拟导电物质的什么属性。在了解实验装置的电学属性的基础上，按照以下操作步骤，完成你的实验操作：将起电机的两根放电杆分别接到演示箱左右两块塑料板上，顺时针摇动起电机手柄。观察火柴棒的运动情况。 在完成以上实验操作的基础上，思考并回答下列问题：指出该实验装置可以用来表征静电现象的什么属性。比较实验前后火柴棒的变化情况，由此可以用来揭示哪些物理学原理。图十五在实际教学中，应该以怎样的方式来呈现该实验现象，使之有助于学生的自主建构。实验探究 静电场效应特性的实验探究4.5三维电力线的实验演示如图十六所示，该

19、实验仪（又称验电羽）主要由绝缘支架和在其上部固定有一束轻质细条构建而成。利用它我们可以重现“怒发冲冠”的现象。现给你一个验电羽和一台手摇起电机，请按照下面的操作提示来演示“怒发冲冠”的实验现象。将起电机的一根放电杆通过导线与验电羽金属杆相连接。顺时针摇动起电机手柄，观察并记录你所看到的实验现象。解释你所看到的实验现象。由此你能推论出电荷具有怎样的相互作用规律。 图十六 在上述实验的基础上，现再給你一个验电羽，你认为还可以完成哪些实验现象的演示：明晰你的实验任务，完成相应演示方案的设计。依据你的演示方案进行演示操作。在完成上述操作的基础上，思考并回答下列问题： 描述并解释你所看到的实验现象。指出

20、该实验现象能进一步揭示静电哪一方面的学科特性。做好以上演示实验需要把握哪些操作要素。在实际教学中应该通过怎样的教学策略来实践学生对上述静电特性的自主建构。4.6二维电力线的实验演示如图十七所示，在透明玻璃培养皿上盛上适量的蓖麻油，里面放置有被剪成5mm左右长短的头发丝，在玻璃培养皿中还安装有电极。 请按照下面操作提示做一下，观察并记录你所看到的实验现象。在玻璃培养皿中放置一个电极，将它与起电机相连接，摇动起电机手柄，观察实验现象。在玻璃培养皿中放置二个电极（保持适当距离），将它们与起电机的一端相连接，摇动起电机手柄，观察实验现象。 图十七 在玻璃培养皿中放置二个电极（保持适当距离），将它们分别

21、与起电机的一端相连接，摇动起电机手柄，观察实验现象。在完成上述操作的基础上，思考并回答下列问题：描述你所看到的实验现象。解析该实验现象所能揭示的静电属性。该现象还具有怎样的学科价值。梳理并指出以上二个实验各自具有怎样的演示特征。为进一步探究静电的特性，请完成以下一组实验操作。实验探究 导体电荷分布规律的实验探究4.7静电电风现象的实验演示如图十八所示，在一绝缘支杆上有一根可上下移动的金属棒，在它的下方有一个可放置蜡烛的平台。在仔细了解实验仪器结构特征的基础上，按照以下操作步骤，完成你的实验操作：调节金属杆的位置，使金属棒对准火焰，将金属棒与起电机任一放电杆相连，顺时针摇动起电机手柄。在完成实验

22、操作的基础上，思考并回答以下问题：描述并解释你所看见的实验现象。 指出做好该实验应该把握怎样的操作要素。 4.8 导体电荷分布特征的实验探究 图十八 如图十九所示，在两块金属极板之间放置两根形状不同的金属棒，它们离开顶端金属极板的距离相等。在了解实验仪器结构特征的基础上，完成以下探究任务：设计一个能利用该实验装置来演示导体电荷分布规律的实验方案；利用你设计的实验方案，进行演示操作。在完成实验操作的基础上，思考并回答以下问题： 描述你所看见的实验现象.指出该实验现象所能揭示的学科原理。该实验现象具有怎样的应用价值。 图十九简述设计实验方案时需要有怎样的认知背景以及需要把握怎样的认知策略。4.9静

23、电”电动机”现象的实验演示如图二十所示，该实验装置主要由可以绕轴自由旋转塑料滚筒、两根安装有若干尖针的金属杆等部件组合而成。请按照以下操作步骤，完成你的实验操作：将两根金属杆错开一定角度，分别与起电机的放电杆相连。顺时针摇动起电机手柄。改变摇动起电机的速度。在实验操作的基础上。思考并回答以下问题：观察并描述滚筒的运动情况； 图二十解释你所看见的实验现象。指出该实验现象具有怎样的潜在应用价值。梳理并指出以上三个实验各自具有怎样的演示特征。 实验探究 导体电荷分布规律的拓展探究4.10空腔导体电荷分布特征的实验探究如图二十一所示，现有一上端开口的空腔导体、一根有机玻璃棒、一块丝绸、一根验电棒、一台

24、验电仪以及一台手摇起电机等实验器材。请利用上述实验器材，完成以下实验任务：设计一个能探究导体中电荷分布规律的演示实验。给出你的设计方案并进行实际演示操作。在完成实验操作的基础上，思考并回答以下问题：描述并解释你的实验现象。 图二十一简述实验方案的设计思路，指出探究时应该把握的主要操作要素并说明缘由。活动感悟同一物理现象的不同实验通常具有不同的演示特征，你认为，在教学中应该根据怎样的原则来完成教学演示实验的选择。分析并指出在“同一物理现象可以用不同的实验来展示”的背后蕴涵怎样的认知价值。利用本探究专题呈现的系列实验，生成一份关于探究静电特性的教学简案。5、静电的利用与防范本专题将通过一组具有原理

25、应用特征的演示实验，就如何透视学科原理在实际应用中所蕴涵的认知元素以及如何把握该认知元素的教学价值等学科教学问题进行实验探究。实验探究 5.1静电除尘原理的实验探究图二十二是静电除尘的模拟装置。在仔细了解该实验装结构的基础上，完成以下实验探究任务：设计一个能利用该实验装置来演示静电除尘原理的实验方案；利用你设计的实验方案，进行演示操作。在完成实验操作的基础上，思考并回答以下问题：描述并解释你的实验现象。简述实验方案的设计思路，指出设计方案时应该把握的主要认知环节。在实际教学中，应该采取怎样的教学策略来完成你的教学解析。 图二十二指出做好该演示实验应该把握的主要操作要素。5.2 静电植绒原理的实

26、验探究 图二十三的实验装置主要由两块金属铝板、矩形有机玻璃、绝缘支架等构成。在矩形有机玻璃中放置有一些绒毛类短纤维。在了解实验装置结构的基础上，按照以下操作步骤，完成你的实验操作：将绒毛类短纤维装入装置内，将装置的上下极板与起电机的两根放电杆相连接。顺时针摇动起电机手柄。在完成实验操作的基础上，思考并回答以下问题：描述并解释你所看见的实验现象。指出该实验现象具有怎样的应用价值。 分析并指出构建该实验装置需把握哪些结构要素及其要素特性。 图二十三5.3静电屏蔽原理的实验探究图二十四图所示，给你一个绝缘平台、一个形似鸟笼的金属网罩、一台收音机。请利用这些实验装置，完成以下探究任务：设计一个能演示静

27、电屏蔽原理的演示实验方案；依据你的设计方案，进行演示操作。在完成实验操作的基础上，思考并回答以下问题：描述并解释你所看见的实验现象。指出该实验现象具有怎样的应用价值。 图二十四简述设计实验方案时需要有怎样的认知背景以及需要把握怎样的认知策略。l 如果在金属罩内外贴上一些条形纸片，再用导线将金属罩和起电机的任意一根放电杆连接，顺时针摇动起电机，观察金属罩内外纸片的变化情况。实际做一做，思考并回答以下问题：解释你所看见的实验现象，指出该实验现象具有怎样的应用价值。案例解析：高压作业工人在不断电的情况下检修电路时，是利用身上所穿的静电屏蔽服保护自己不受高压电的威胁。但是我们经常看到一群群麻雀停留在城

28、市间的高压电线杆上，它们并没有身着静电屏蔽服，可是它们照样泰然自若，这是为什么。5.4静电复印工作原理的实验探究在线学习：进入课程教学资源库，打开“静电复印工作原理”虚拟教学课件。在观看教学课件以后，思考并回答以下问题：描述静电复印所经历的主要工作环节。策划一份利用该教学课件进行静电复印工作原理讲解的教学讲稿。指出基于虚拟课件的教学应该把握怎样的教学讲解策略。活动感悟简述要认知学科知识的实际应用需要把握哪些认知环节。策划一份关于静电利用与防范的教学简案。分析并指出你的教案设计理念。附：学科知识综述：静电学主要研究静止电荷所产生的静电场的基本特性，还要研究静电场与导体和电介质（如绝缘体）的相互作用、相互影响等。静电学主要涉及以下知识：电场强度、电势、电场强