靜電技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)訓(xùn)中的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

王　莉

沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧　遼陽　111003

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靜電技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)訓(xùn)中的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

王莉

沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧遼陽111003

大學(xué)物理實(shí)訓(xùn)已經(jīng)在我校開展四年了，在多年的教學(xué)實(shí)踐中，總結(jié)出了一套可操作性較強(qiáng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究性教學(xué)新模式。有助于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和科學(xué)研究意識(shí)。

大學(xué)物理；物理實(shí)訓(xùn)；靜電技術(shù)；靜電起電機(jī)

職業(yè)教育應(yīng)以能力為本位，已得到了廣大教師的認(rèn)同。要培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的能力就必須要突破原來主要注重講解知識(shí)點(diǎn)的固有框架，把學(xué)生的綜合能力、職業(yè)能力、創(chuàng)新能力等的培養(yǎng)和發(fā)展放在首位。

一、自己主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)和獲取知識(shí)的能力

給學(xué)生創(chuàng)造各種機(jī)會(huì)來獲取知識(shí)，預(yù)習(xí)的范圍不僅在課本跟教材，還可以擴(kuò)展到圖書館跟互聯(lián)網(wǎng)。在課前給他們介紹校內(nèi)圖書館的很多資源，比如超星數(shù)字圖書館，中國知網(wǎng)的鏡像資源。同時(shí)還介紹一些搜索引擎，比如百度，谷歌，以及能夠查詢英文文獻(xiàn)的一些網(wǎng)站。

二、科學(xué)思維能力

通過一些思考題來啟發(fā)同學(xué)們的興趣，引導(dǎo)思考。比如，靜電的產(chǎn)生方式有哪些、靜電在生活中的常見現(xiàn)象，靜電在生活生產(chǎn)中有哪些的應(yīng)用，靜電能夠產(chǎn)生哪些危害，靜電除塵的原理，靜電起電機(jī)的類型。

三、實(shí)踐動(dòng)手能力

利用靜電原理來自制起電機(jī)，同學(xué)們通過查閱資料，設(shè)計(jì)了范式起電機(jī)，韋氏起電機(jī)，以及滴水起電機(jī)。

(一)各種靜電起電機(jī)原理

1.滴水起電機(jī)裝置。該裝置利用水滴滴落過程中對(duì)電壓差的正反饋?zhàn)饔煤退姓?fù)離子對(duì)由電偶極子產(chǎn)生的靜電場的靜電感應(yīng)作用來形成電壓差。水滴可能偶然地把極微量的電荷帶給金屬水桶，由于該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得十分巧妙，正電荷水滴附近的金屬環(huán)感應(yīng)出負(fù)電荷，同理負(fù)電荷水滴附近的金屬環(huán)感應(yīng)出正電荷，形成正反饋，電荷隨時(shí)間的積累量呈將指數(shù)增長，短時(shí)間內(nèi)在兩桶間形成極高的電勢差。

2.維氏起電機(jī)即維姆霍夫起電機(jī)。維氏起電機(jī)即維姆霍夫起電機(jī)是電學(xué)中常見的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置用途非常廣泛，不僅可以演示起電，還可以比較明顯的演示兩電極的放電現(xiàn)象。維氏感應(yīng)起電機(jī)的由兩塊圓形的中有空隙旋轉(zhuǎn)盤疊在一起組成，一般是有機(jī)玻璃材料制成。每塊旋轉(zhuǎn)盤的外表面上都貼有鋁片箔，鋁箔的分布是以圓心為中心對(duì)稱的。兩旋轉(zhuǎn)盤分別固定在兩個(gè)受動(dòng)輪上，通過皮帶與驅(qū)動(dòng)輪連接在一起。把兩根皮帶中的一根是交叉放置的，以達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪時(shí)兩旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)向是相反的。

3.范式起電機(jī)。范式起電機(jī)又名范德格拉夫起電機(jī)，還被稱作范德格拉夫加速器，是一種用來產(chǎn)生高壓靜電的儀器。該裝置是在1929年由美國的荷蘭裔物理學(xué)家羅伯特·杰米森·范德格拉夫所發(fā)明的。范德格拉夫起電機(jī)的工作原理是摩擦起電，具體的說是上輥與膠帶摩擦而使上輥產(chǎn)生負(fù)電荷，該電荷被上輥旁的上集電梳收集到電極球上；同時(shí)膠帶與上輥摩擦而使膠帶產(chǎn)生正電荷，膠帶將該正電荷輸送到下輥，下輥旁的下集電梳把正電荷收集后導(dǎo)入大地。而下輥與膠帶摩擦使下輥產(chǎn)生的負(fù)電荷，通過膠帶被運(yùn)給上輥，也被上集電梳所收集，最后也收集到電極球上；膠帶與下輥摩擦而使膠帶產(chǎn)生正電荷，下輥旁的下集電梳把正電荷收集后導(dǎo)入大地。電機(jī)不停地工作使上下輥持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷集電，并通過傳送帶將產(chǎn)生的靜電荷傳送到金屬球表面。范德格拉夫起電機(jī)理論上可以獲得極大的電壓，隨著材料和技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)代的范德格拉夫起電機(jī)電勢可以高達(dá)500萬伏特。

(二)利用靜電原理制作實(shí)驗(yàn)裝置

讓學(xué)生通過自己掌握的知識(shí)設(shè)計(jì)靜電除塵，靜電植絨，電風(fēng)車，電風(fēng)吹焰等實(shí)驗(yàn)裝置。

1.靜電除塵裝置。當(dāng)充滿煙塵的廣口瓶接通高壓電源的時(shí)候，廣口瓶內(nèi)的兩電極板間產(chǎn)生極強(qiáng)的電場，強(qiáng)電場使空氣發(fā)生電離，產(chǎn)生陰離子和陽離子。負(fù)離子碰到煙塵微粒使它帶負(fù)電，在電場力的作用下，向正極移動(dòng)；正離子碰到煙塵微粒使它帶正電，在電場力的作用下，向負(fù)極移動(dòng)。這樣煙塵就被吸附到兩電極板上，就達(dá)到了除塵的效果。

2.靜電植絨裝置。靜電植絨的實(shí)驗(yàn)原理是利用同性電荷相互相斥，異性電荷相互吸引的原理。用有機(jī)玻璃板做成一個(gè)正方體的側(cè)面，上下兩個(gè)底面用金屬板制成，兩金屬板與直流高壓電源的兩極相連接。將絨毛放在容器中接負(fù)極的下極板上，把需要植絨的物體放在接正極的極板上。當(dāng)接通電源以后，兩極板之間形成一個(gè)高壓電場，負(fù)極板上的絨毛帶上負(fù)電荷，帶負(fù)電的絨毛由于異性相吸，被吸引到正極板上，而正極板上黏貼著被植絨的物體，從而達(dá)到靜電植絨的效果。

3.電風(fēng)車。電風(fēng)車是風(fēng)輪尖端聚集大量靜電荷，形成強(qiáng)電場，將空氣分子電離，形成向外吹的電離風(fēng)，其反沖力推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)。但該實(shí)驗(yàn)要求風(fēng)輪面要平，尖是端要尖，靜電電壓要高，否則就看不到風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)。

4.電風(fēng)吹焰。電風(fēng)吹焰的原理與電風(fēng)車相同。它是靠尖形放電針形成的電離風(fēng)吹動(dòng)火焰，以便觀察電離的存在。這個(gè)實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵也是要求較高的靜電電壓。

四、分析和解決實(shí)際問題的能力

在實(shí)際操作中，激發(fā)同學(xué)們對(duì)于出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行積極思考。比如范式起電機(jī)的金屬球的尺寸對(duì)起電效果的影響；比如韋氏起電機(jī)反轉(zhuǎn)是否能起電；比如韋氏起電機(jī)的鋁箔必須呈發(fā)散式的原因，如果連成一片對(duì)起電的影響；滴水起電機(jī)的電壓與時(shí)間的關(guān)系是否線性等。

五、創(chuàng)新能力

利用身邊的一切可用的材料。飲料瓶，易拉罐，醫(yī)用的塑料軟管，鋁箔，銅絲，有機(jī)玻璃等。通過自己的創(chuàng)意，組裝成范式起電機(jī)，韋氏起電機(jī)跟滴水起電機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種靜電現(xiàn)象，比如除塵，植絨，電風(fēng)車，電風(fēng)吹焰等。還有的同學(xué)嘗試了海水淡化，靜電復(fù)印，靜電分選，人工降雨。開闊了思路，鍛煉了創(chuàng)新能力。

同時(shí)，還培養(yǎng)同學(xué)自己利用面包板連接倍壓整流電路。其原理是利用濾波電容的存儲(chǔ)作用跟二極管整流作用，由多個(gè)電容和多個(gè)二極管組成可以獲得幾倍于輸入交流電壓的高壓直流電壓。擴(kuò)大的倍數(shù)由電容跟二極管的數(shù)目決定。

六、結(jié)語

經(jīng)過幾年的實(shí)踐證明，大學(xué)物理實(shí)訓(xùn)教學(xué)不僅使學(xué)生更加深入和深刻的理解實(shí)驗(yàn)中的物理原理和規(guī)律，而且獲得了與課堂理論教學(xué)相比更多的收獲。這些收獲體現(xiàn)在提高了學(xué)生的自己主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)和獲取知識(shí)的能力，科學(xué)思維能力，實(shí)踐動(dòng)手能力，分析和解決實(shí)際問題的能力，以及創(chuàng)新能力等。

[1]吳家寬.開爾文滴水感應(yīng)起電機(jī)制作與技巧 [J].物理教師，2002(2).

[2]張學(xué)翰.感應(yīng)起電機(jī)原理及使用技巧[J].職業(yè)技能，2010(3).

[3]彭小偉.范德格拉夫起電機(jī)的原理和維修[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2011(4).

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