自組裝摩擦納米發電機實驗儀

徐冰艷 蘇煬 徐嘉君 楊曉梅

摘? ?要：立足于中學物理實驗，以摩擦納米發電機為載體自組裝實驗儀，將二極管、三極管、整流器等電學元件進行組裝，設置三個板塊分別展示交流電演示實驗、傳感器實驗、摩擦充電實驗。通過對實驗的操作和實驗現象的觀察，提高學生的科學思維和實驗技能，為中學教師進行摩擦起電、交變電流、電容器充放電、傳感器等內容的教學提供創新教具和思路。

關鍵詞：自制教具；摩擦起電；交流電演示；電容器充放電

高中物理“電荷”小節的課標要求是“通過實驗，了解靜電現象[ 1 ]”。摩擦起電是中學電學的開端，且因為其對摩擦界面的高度靈敏性而被廣泛研究[ 2 ]，但由于教具匱乏等原因，學生對摩擦起電缺乏足夠認識。本實驗儀設置三個實驗板塊讓學生直觀地看到摩擦起電現象，體會科學研究方法，并基于所涉及的電學元件特性和原理，為相對應內容的教學提供創新思路和視角。

1? 實驗儀原理及設計

1.1? 摩擦納米發電機發電原理

本實驗儀制作摩擦納米發電機的材料有：銅箔，聚四氟乙烯薄膜和PET薄膜各一片，薄底板兩塊，導線兩根。將銅箔在聚四氟乙烯薄膜、PET薄膜表粘黏并連接導線，如圖1。

摩擦納米發電機的核心原理是摩擦起電，利用納米材料（聚四氟乙烯薄膜和PET薄膜）大幅度提高摩擦起電效應。聚四氟乙烯薄膜和PET薄膜分別是易得電子、易失電子材料。當兩者正向摩擦時，聚四氟乙烯薄膜得到PET薄膜失去的電子，兩者分別帶上正負電，分別在薄膜表面安裝銅箔作為電極并用導線相連，電子通過電極沿著導線定向移動在外電路形成電流，隨后達到靜電平衡；當兩者反方向摩擦時，電極上的電子將會反向移動以保持靜電平衡，從而形成反向電流，于是在外電路中形成方向周期性變化的交流電[ 3 ]。

1.2? 實驗儀元件

1.3? 實驗儀裝置圖

本實驗儀分為三個模塊，即用三塊單獨的泡沫板分別展示三個實驗，再將其用可活動的合頁粘貼，讓實驗儀既可以平鋪成一整塊實驗板如圖2，又可以組合成三棱柱形狀。同時在板下放置一個可旋轉托盤，使其可以靈活旋轉如圖3。

2 實驗儀的使用

2.1? 實驗1：交流電演示實驗

2.1.1? 實驗原理

發光二極管具有單向導電性，接上正向電壓后才會發光；摩擦起電產生的是交流電，即外電路中電流方向正負交替；將兩片發光二極管燈片（由若干發光二極管串聯并固定組成）首尾相連并分別與摩擦納米發電機串聯構成回路，電路圖如圖4。

2.1.2? 實驗現象

閉合開關，摩擦兩塊薄膜板時兩片發光二極管燈片交替發光如圖5。

2.1.3? 實驗過程

（1）檢查實驗1電路后閉合開關，摩擦兩塊薄膜板，觀察實驗現象；

（2）實驗結束后對發電機進行安全放電。

2.2? 實驗2：傳感器實驗

2.2.1實驗原理

摩擦起電具有高壓低流的輸出特性，據此可制作傳感器[ 4 ]，三極管有放大微小電流的作用，將三極管B端和E端相連構成二級放大電路，剩余的B、E端和摩擦納米發電機串聯成一個分路，C、E端分別接入直流電源的正負極，并與LED燈帶串聯形成另一個分路，達到利用三極管以摩擦納米發電機產生的小電流控制直流電源大電流的效果，實驗時摩擦納米發電機相當于一個傳感器，電路圖如圖6。

2.2.2實驗過程

（1）檢查實驗2電路后閉合開關S1、S2，摩擦兩塊薄膜板，觀察實驗現象；

（2）實驗結束后對發電機進行安全放電。

2.2.3實驗現象

閉合開關，摩擦兩塊發電機薄膜板時LED燈帶閃爍且亮度很高如圖7，體現了摩擦納米發電機作為傳感器的靈敏。

2.3? 實驗3：摩擦充電實驗

2.3.1實驗原理

整流器能將交流電輸出為直流電。通過整流器將交流電轉化為直流電給電容器充電后對LED燈帶放電，將整流器、電容器及發光二極管燈帶并聯構成回路，電路圖如圖8。

2.3.2實驗過程

（1）檢查實驗3電路后閉合開關S1，摩擦兩塊薄膜板，給電容充電；

（2）數次摩擦后，斷開開關S1，閉合開關S2讓電容放電，觀察實驗現象；

（3）實驗結束后對發電機進行安全放電。

2.3.3實驗現象

在數次摩擦兩片薄膜板后閉合開關S2，LED燈帶瞬間亮起后熄滅如圖9。

3? 中學物理教學應用

以上三個實驗均可作為引入或探究實驗在教學“摩擦起電”和“靜電的防止與利用”時應用，如通過實驗1引入新課，提出“為何摩擦兩塊薄膜板，發光二級管燈片就會發光？”等問題來驅動學生思考，提高課堂的趣味性；實驗2或3作為探究實驗，讓學生感受摩擦產電能的大小、體會靜電應用例子，提高學生探究物理現象的主觀能動性，促進其深度學習。

在“能源與可持續發展”一節中三個實驗也可以作為能源利用與發展的典型案例，讓學生感知科技和時代進步下的生活便利，提高學生節約現有能源、探索其他能源的意識，培養學生的科學精神和對未來社會科技發展的責任感。

在進行本實驗中涉及的電學元件特性教學時，也可借助本實驗儀進行輔助教學，如展示發光二級管的單向導電性、驗證三極管放大微小電流的作用等。加深學生對常用電學元件的了解，在教學中滲透科學的本質。

此外，三個實驗還能單獨地應用在不同教學情境中：（1）在“交變電流”一節中通過實驗1發光二極管燈片的交替閃爍，直觀地向學生展示交流電方向周期性變化的特性。（2）在“認識傳感器”一節中引入實驗2作為傳感器的例子，讓學生初步了解傳感器的概念與作用。（3）在“電容器的電容”一節中通過實驗3讓學生觀察電容器充、放電現象。

4? 實驗儀的創新點

（1）教學目的上，本實驗儀將摩擦納米發電機引入課堂，加深學生對摩擦起電的理解，體會生活中利用靜電的例子，從而提高學生的知識層次，培養學生實驗操作的高階思維。

（2）原理及形態上，本實驗儀將摩擦起電和二極管、三極管、整流器等微電子元件相結合，根據其不同的原理構建了三個電學實驗，組裝形成了一個綜合性的電學實驗儀，并具有兩個形態：自組裝平鋪形態和可旋轉形態。平鋪形態便于學生對儀器和實驗現象的整體觀察及對比，而可旋轉形態則便于儀器的攜帶和單獨進行分實驗的操作與觀察。

（3）教學應用上，本自組裝實驗儀整體可應用于靜電和能源發展方面的教學，分實驗能分別應用于不同的教學情境；并且相關電學元件特性也能借助本實驗儀輔助教學，真正實現了一儀多用，滿足了中學物理教學情境多樣化的需求。

5? 結束語

本文闡述了自組裝摩擦納米發電機實驗儀的原理、構造、使用方法以及在中學物理教學中的應用，完成了三個電學實驗。教師可根據教學需求，利用該實驗儀在課堂中有針對性地進行演示或探究實驗，對學生進行科學思維的培養和方法的指導，引導學生理解物理學本質，增強科學探究能力和解決實際問題的能力，從而促進學生物理核心素養的發展。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S]．北京：人民教育出版社，2020.

［2］ 張立強，馮雁歌，李小娟，等.鋼-聚四氟乙烯摩擦界面的摩擦起電行為[J].摩擦學學報，2021，41（6）：983-994.

［3］ 石麟. 高性能摩擦納米發電機的設計構筑及其能量收集應用研究[D].杭州：浙江大學，2021.

［4］ 韓陽，黃河，趙世昌，等.基于摩擦納米發電機的氣體流量傳感器[J].微納電子技術，2021，58（9）：804-811，850.