潮濕條件下“摩擦起電”教學的一個創新實驗

傳統的摩擦起電實驗，在陰雨天氣、空氣潮濕時很難成功。本創新實驗用塑料勺摩擦吸水性強的大米，無論天晴天陰，由于摩擦與吸附同步，靜電很少衰減流失，塑料勺可吸附大量重力為碎紙屑幾十倍的米粒，實驗效果明顯而且穩定。這就把物理實驗拓展到課本之外、生活之中，培養了學生的發明創新精神和探究能力。

一、傳統的摩擦起電實驗教學的不足

在中學物理和小學科學課程中，都要學習摩擦起電現象，做摩擦起電實驗。初中階段，2011年修訂的物理國家課程標準中，要求學生“觀察摩擦起電現象”。在教學中我們一般把實驗分兩步：1. 摩擦起電：采用①玻璃棒+絲綢、②橡膠棒+毛皮、③梳子或塑料尺+頭發摩擦等方法，使物體帶電；2. 顯示靜電：用帶靜電物體吸引紙屑，或靠近驗電器使金屬箔張開。

多年來，這個實驗教學都是我最沒把握完成的，也是課前最感忐忑不安的。因為該實驗存在以下不足：①實驗不穩定、成功率低：在陰雨天氣、空氣較潮濕時，實驗往往不能成功； ②靜電量小，效果不明顯：吸引紙屑較少或金屬箔張角小，不易觀察； ③器材較專業，模擬難度大，學生課后難以體驗。

該傳統實驗效果不能穩定的原因在于：實驗環境中空氣濕度發生了改變。在陰雨潮濕時，實驗器材和空氣潮濕，導電性增強，物體摩擦所帶靜電很快衰減流失，等到吸引紙屑時，已無靜電可用，造成實驗失敗。

我曾采取一些補救方法，但都不夠滿意：①使用吹風機加熱烘干，但由于教室空氣不停擴散流動，效果不大；②用手搖摩擦起電器補充實驗，但不夠簡易和貼近教材。

二、一次偶然的發現

偶然有一次， 我用電飯鍋所配帶的透明塑料勺子在米桶內舀米時，驚奇地發現塑勺的內壁和外壁均粘有若干粒大米，且久久不會掉落（圖2）！興奮之余，我思索：一粒大米的質量約30毫克，比碎紙屑、泡沫球、通草球等重幾十倍，為什么塑料勺與大米之間會有如此巨大驚人的靜電引力，比教材中介紹的傳統經典實驗的靜電引力還大幾十倍呢？

三、實驗教學過程

經過整理改進，我把以下實驗現象用于摩擦起電教學：

1. 用塑料勺與保鮮盒內干燥清潔的大米摩擦（圖1），提起勺子，可觀察到勺子內、外壁上有若干粒大米吸附，持續時間長達60-180秒 （圖2）。

2. 把塑料勺與驗電器的金屬盤接觸， 發現金屬箔明顯張開（圖3）。

3. 用手接觸塑料勺， 將靜電放掉， 再把塑料勺放在大米上（避免摩擦），提起勺子，勺子外壁上沒有大米吸附。

4. 若改用保鮮盒（聚丙烯（PP）、硅膠樹脂）（圖5）替代塑料勺做實驗，吸米更多、效果更佳（圖6）。

多次實驗表明：即使在潮濕空氣中，純度高的聚丙烯、聚乙烯塑勺，與大米摩擦時，也會產生較多靜電，吸引較重的米粒，或使驗電器張開較大角度；勺子與大米不摩擦，則無靜電，不吸米粒。

四、實驗原理分析

首先，塑盒和大米的粒子束縛電子能力差異大：組成塑料勺（盒）的無機粒子（聚丙烯（PP）和硅膠樹脂）與大米粒的有機粒子束縛電子能力差異大，與傳統的“玻璃棒+絲綢”等組合相比，有過之而無不及，這是“塑料勺吸米”實驗的基本物質條件。

其次，大米能防潮保干燥：食用的大米經過加工和烘干，且包裝運輸儲存時都很注重防潮防霉，家庭購買儲存后，也會密封保存，這就避免了外界潮濕空氣的侵擾，而且大米中的淀粉具有很好的吸水性，使得大米能夠始終保持干燥狀態，而絲綢、毛皮等吸水后卻不能保持干燥，這是“塑料勺吸米”實驗的防潮保干燥條件。我曾將米粒灑水潤濕后，再與塑料勺摩擦做對比實驗，結果在10分鐘之內，塑料勺根本不能吸引米粒，但10分鐘后，米粒將表面水分吸收，又干燥了，塑料勺又可以吸引米粒了，只是吸引米粒的數量略有減少。

第三，“塑料勺+大米”組合可保電抗衰減。本實驗中，米粒同時具有雙重角色，既是摩擦者，又是被吸附者。從理論上說，應該先有摩擦帶電，后有靜電作用吸附米粒；但實際上，這個時間差是非常短暫的，摩擦與被吸附幾乎同時同步，這就使得摩擦雙方所帶靜電荷很少衰減和流失，這是“塑料勺吸米”實驗保電抗衰減的條件。

以上條件，應該就是無論晴天雨天，塑料勺都具有如此超強吸引力，可以吸附“大塊頭”——米粒的奧秘所在，也是本實驗讓人驚奇的根本原因所在。

五、靈活的教學設計和創新實驗的教學效果

自從我發現“塑料勺吸米”的現象后，我就把這個實驗引入了課堂。每當進行“摩擦起電”教學時，我就從家中用大號保鮮盒裝著大米到教室，再配好塑料勺和小號保鮮盒，作為必做實驗。在教學設計上，晴天時，我把它作為傳統實驗之后的有力輔佐和延伸，做配角；當空氣潮濕時，我就放棄沒有勝算的傳統實驗，讓“塑料勺吸米”實驗唱主角。

“塑料勺吸米”的演示實驗，實驗效果總是明顯而穩定，無論晴天雨天，它都會幫助我展示摩擦起電的神奇現象，我再也不為演示摩擦起電現象而感到忐忑不安。更高興的是，通過對物理實驗課程資源的開發，我保證了學生對“摩擦起電”現象的觀察，完成了課標要求，使學生體驗了物理學之奇妙，取得了非常滿意的教學效果。

此外，我要求和鼓勵學生在家中模仿本實驗，并匯報交流，把科學探究，拓展到了課本之外、生活之中。由于實驗材料是每個家庭都很容易找到的身邊物品，又簡便易行，學生們紛紛動手模擬，從而積累了物理感知，建立了物理概念，理解領會了摩擦起電現象的實質。通過聯系生活實踐、動手做實驗學物理，學生們增強了學習興趣，提高了學習的積極性。更可貴的是，“塑料勺吸米”實驗拓展和超越了課本的實驗，具有自主創新價值，挑戰了權威，學生們的創新精神、實驗探究能力也得到了一次培養和升華。

責任編輯 羅 峰