尖端放電演示儀器的設計制作

林 豐

（1.海南省文昌中學，海南 文昌 571300；2.海南省教育研究培訓院，海南 海口 571100）

在人教版物理必修第3冊（2019年版）“靜電的防止與利用”一節中，尖端放電是一種非常重要的靜電現象，尖端放電有兩種現象：強烈放電現象和微弱放電現象.強烈的尖端放電現象伴有強烈的發光和聲響，現象較為明顯.在筆者任教學校，實驗室配有專門的演示儀器.微弱的尖端放電現象，放電過程較為緩和，放電現象不明顯，甚至難以察覺.實驗室缺乏相應的演示儀器，教師很容易陷入以文字、圖片和視頻為主的枯燥講解，學生探究的欲望沒有得到有效激發，課堂教學的效果會大打折扣.這不利于學生物理核心素養的養成和發展.

教師自制教學用具是解決上述問題的一條有效途徑.在技術層面，3D打印是一種以三維數字形式立體構造物理對象的快速成型技術.筆者通過3D打印技術，并結合生活中的物品制作了尖端放電演示儀器，呈現生動直觀的靜電現象，創設豐富的物理情境，激發學生學習的興趣，讓學生在特定的物理情境下思考問題并解決問題.這有利于提升學生的物理學科核心素養，具體介紹如下.

1 設計思路

演示儀基于尖端放電原理制作而成，設計思路如下：通過高壓靜電起電器讓導體尖端電極帶上大量電荷，在導體尖端周圍的強電場作用下使空氣電離，尖端持續向空氣釋放電荷，發生微弱的放電現象.以靜電力驅動風車輪和礦泉水瓶，間接表明微弱尖端放電現象的存在.讓學生在特定的物理情境中構建物理知識，發展科學思維.通過思維活動促進學生形成有關于靜電場的物理觀念，從而提升學生的物理學科核心素養.

2 制作材料與方法

2.1 制作材料

3D打印機打印圓盤形支架和錐形支架，鋁箔紙1卷，高壓靜電起電器，礦泉水瓶，鐵釘，開關和導線若干.

2.2 制作方法

尖端放電演示由兩部分演示實驗組成.第一部分為“靜電驅動風車輪旋轉”演示實驗，制作方法如下.錐形支架由3D打印機制作，風車的扇葉用鋁箔紙裁制成，扇葉的尾端呈尖銳形狀，將扇葉固定在鐵釘上插入錐形支架，用鐵釘作為風車輪的轉軸，即完成第一部分實驗的制作.實物圖如圖1所示，簡圖如圖2所示.

圖1 實驗實物圖

圖2 實驗示意圖

第二部分為“靜電驅動礦泉水瓶旋轉”演示實驗.在空礦泉水瓶表面粘上鋁箔條，將鐵條穿過礦泉水瓶，用鐵條作為整個旋轉裝置的轉軸，鐵條的一端插在3D打印的圓盤底座上，另一端固定在支架上的磁鐵處，利用磁鐵向上吸引鐵條，減小旋轉過程中鐵條與底座之間的摩擦阻力.在底座支架上豎起兩個尖端電極，使尖端電極對準礦泉水瓶上鋁箔條，即完成第二部分實驗的制作.實物圖如圖3所示，示意圖如圖4所示.

圖3 實驗實物圖

圖4 實驗示意圖

3 尖端放電演示儀器在教學中的應用

3.1 課堂實驗演示，顯化物理現象

3.1.1 演示實驗1——靜電驅動風車輪旋轉

將風車轉軸處的接線柱與高壓靜電起電器一端電極連接，高壓靜電起電器的另一端電極接地.通電前，風車輪處于靜止狀態（如圖5所示）.高壓靜電起電器通電后，觀察到原來靜止的風車輪慢慢旋轉起來（如圖6所示）.

圖5 通電前

圖6 通電后

3.1.2 演示實驗2——靜電驅動礦泉水瓶旋轉

用導線把尖端電極和高壓靜電起電器相連.通電前貼有鋁箔條的礦泉水瓶處于靜止狀態（如圖7所示）.高壓靜電起電器通電后，觀察到礦泉水瓶開始轉動起來（如圖8所示）.

圖7 通電前

圖8 通電后

3.2 定性分析實驗原理，促進物理觀念形成

高壓靜電起電器通電后，大量的電荷聚集于尖狀電極，使得電極周圍空間存在非常強的電場.在強電場的作用下導體尖端周圍的空氣發生電離，空氣變成導體，電荷不斷地從導體尖端釋放到空氣中，發生微弱的尖端放電現象.

在演示實驗1中，在扇葉尖端處發生微弱放電現象，尖端向空氣不斷地釋放電荷.由于釋放的電荷與尖端上的電荷電性相同，扇葉在靜電斥力的作用下轉動起來.

在演示實驗2中，在尖狀電極處發生微弱放電現象，導體尖端上的電荷不斷地從尖端釋放到空氣中，使得礦泉水瓶上的鋁箔條帶上與鄰近電極相同電性的電荷.由于同種電荷相互排斥，礦泉水瓶在靜電斥力的作用下轉動起來.

微弱的尖端放電現象是一種很緩和的放電現象.上述兩個演示實驗均以生動、直觀的機械運動現象間接顯化了微弱放電這一隱性的物理現象.實驗結果表明給尖端電極帶上靜電后，存在著微弱的尖端放電現象.

4 小結

（1）自制尖端放電演示儀器實驗現象明顯，演示效果直觀、生動.

（2）3D打印為師生開發自制教具提供了技術基礎，有利于提高師生的動手實踐能力和創新能力.

（3）教師通過自制演示儀器，有效激發學生探索未知事物的欲望，學生通過建構物理模型，經過科學推理完成了知識的應用遷移，促進學生物理學科核心素養的養成和發展.