基于模型建构的高中物理演示实验设计

摘要

模型建构是科学思维的重要组成部分，发展学生的模型建构能力是物理教学的重要目标。演示实验直观形象、易于观察，是培养学生模型建构能力的重要途径。以静电场内容为例，通过设计组合式静电实验演示仪，增设多种静电演示实验，不仅能弥补教材原有实验的不足，也可为学生模型建构能力的培养提供有力支撑。

Graphical abstract

关键词

模型建构 / 高中物理 / 演示实验 / 静电实验 / 实验设计

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课标》）对静电模块的要求是：“通过实验，了解静电现象。”同时也指出在高中物理课程中，要注重物理实验，教师要积极利用各种实验资源尽可能多地开发出可视性强、证据性强、能引起学生浓厚兴趣的实验^［1］。《课标》将模型建构分为5个水平，具体见表1。笔者在以《课标》为依据的前提下分析物理教材，设计多个演示实验以培养学生不同水平的模型建构意识和能力。

1 静电实验的设计

1.1 教材分析

新人教版中的静电实验分布在第九章“静电场及其应用”和第十章“静电场中的能量”。教材中的静电实验存在以下不足：第一，对于尖端放电、导体上电荷的分布和等势体等知识只停留在文字的表述，并没有相关的实验与之对应；第二，在真实的课堂教学上，由于器材缺少、节省教学时间等原因，很多教师往往不会演示静电的相关实验；第三，静电现象在生活中比较常见，教材中呈现的实验与日常生活联系不紧密，无法激发学生的兴趣。

1.2 实验设计思路

针对以上不足，笔者设计了组合式静电实验演示仪，进行如下改进：第一，增加了关于尖端放电、等势体、电荷分布等知识的演示实验，直观的实验现象能加深学生对知识的理解；第二，该演示仪以感应起电机和电子感应圈为主体，更换不同器具即可演示不同的实验，实验操作简单，能节省实验操作时间；第三，该演示仪取材于日常用品，如易拉罐、水壶等，用学生在生活中常见的物品演示实验，能激发学生的好奇心和学习兴趣^［2］。该演示仪可以演示静电电铃、静电飞轮、模拟雷击、静电屏蔽、验证等势体、探究导体上电荷的分布等实验。

1.3 实验装置

实验装置如图1所示。

1.4 实验步骤及现象分析

（1） 实验一：演示静电电铃。

将两个易拉罐放置在已做好的亚克力底座上，用导线将其与感应起电机连接，摇动起电机，观察小圆环的运动，发现小圆环来回运动并敲打易拉罐，发出的敲打声类似铃声。随着手摇起电机速度的增大，会出现放电现象，如图2所示。

引导学生用感应起电、电荷相互作用规律的知识解释该实验现象：摇动起电机，两个易拉罐会带上异种电荷，当圆环靠近左边的易拉罐时，会感应出相反的电荷，与左边易拉罐相吸引，就会敲打左边的易拉罐，触碰左边的易拉罐后会带上与其相同的电荷，此时同种电荷相互排斥，圆环就会往右运动，靠近右边的易拉罐，又会重复以上运动，因此会反复敲打易拉罐发出电铃声。若摇动起电机的速度很快，小圆环就会产生尖端放电现象。

（2） 实验二：演示静电飞轮。

将做好的风车小轮放在底座上，用导线连接感应起电机和风车小轮，摇动感应起电机，观察风车小轮，发现风车小轮转动，方向与小轮尖端指向相反。

引导学生用尖端放电、反冲原理知识解释该实验现象：因为电荷大部分聚集在导体尖端，尖端部分电荷密度大，当电荷密度达到一定程度时，周围电场很强，就会击穿周围的空气，尖端电荷会向周围空气释放，即尖端放电。根据反冲原理，风车小轮就会向着小轮尖端相反的方向转动。

（3） 实验三：演示笼中静鸟。

用锡纸折成小鸟的形状，放置在静电演示平台的底座上，用感应起电机使带绝缘手柄的金属小球带上电，手拿带绝缘手柄的金属小球靠近锡纸小鸟，观察锡纸小鸟，发现锡纸小鸟会往金属小球方向偏转；将金属笼罩住锡纸小鸟，再用带电金属小球靠近锡纸小鸟，发现锡纸小鸟不会发生偏转，如图3所示。

引导学生用静电屏蔽、感应起电、电荷相互作用规律等知识解释该实验现象：当带电小球靠近锡纸小鸟时，小鸟会感应出相反的电荷，异种电荷相互吸引，因此会往金属小球方向偏转；用金属笼罩住后，金属笼内部不受外界的电场影响，起到静电屏蔽作用，因此锡纸小鸟不会发生偏转。

（4） 实验四：模拟雷击实验。

用支架固定两块金属圆盘，使其正对，用导线将金属圆盘与电子感应圈相连接，将一间小房子放入两个金属圆盘之间，打开电子感应圈的开关，同时调节电压的大小，观察两个圆盘之间的现象，发现房子顶端会有雷击现象；将一根长细金属棒放在小房子的旁边，再次打开电子感应圈的开关，房子不会被雷击，金属棒发生尖端放电现象，如图4所示。

引导学生用尖端放电、电场强度知识解释该实验现象：调大电子感应圈的电压，两个金属圆盘之间会产生很强的电场，击穿空气，从而看到房子顶端产生雷电现象；当放入金属细棒后，其尖端产生放电现象，从而保护了房子免遭雷击。

（5） 实验五：验证等势体实验。

用导线连接易拉罐和静电计，将起电机的起电小球靠近易拉罐，摇动起电机，观察静电计的变化，发现静电计指针不偏转；将两个易拉罐分开，摇动起电机，静电计指针发生偏转，如图5所示。

引导学生用等势体的知识解释该实验现象：两个易拉罐接触时构成一个等势体，所以静电计指针不偏转；两个易拉罐分开后就有电势差，所以静电计指针偏转。

（6） 实验六：探究导体电荷分布规律。

用导线连接水壶和感应起电机（图6），摇动起电机，使水壶带电，用带绝缘手柄的金属小球分别接触导体外表面、里面、尖嘴处，然后将金属小球接触静电计。实验发现：当金属小球接触水壶的尖端处时，静电计指针偏转最大，其次是导体外表面，接触导体里面时，指针不偏转。

引导学生用导体电荷分布规律的知识解释该实验现象：电荷主要分布在导体尖端处，所以静电计指针偏转最大；但导体里面处于静电平衡状态，无电荷分布，所以静电计指针不偏转。

2 模型建构意识的培养思路

模型建构是科学思维的重要组成要素之一，其意识的培养在培养学生核心素养中具有重要作用^［3］。演示不同实验，可以潜移默化地培养学生的模型建构意识，具体培养思路如表2所示。

3 结语

改进教材中的静电实验，增设教材中没有的实验，有利于学生对相关知识点的理解；利用演示实验创设情境，有利于培养学生的模型建构能力；所用的组合式静电实验演示仪搭建了一个静电演示平台，从单件到积件，功能整合度高，能够演示多个静电实验，且每个演示实验的现象都十分明显，直观性强，有利于学生的学习；演示的器材大多取材于生活中常见的物品，贴近生活，能激发学生的学习兴趣。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[2] 吴梦雷.基于培养学生科学思维能力的高中物理教学设计：以“向心力”为例［J］.物理教师，2021，42（10）：8-12.

[3] 葛德成.创新实验设计，提高学生的物理学科核心素养［J］.物理教师，2020，41（04）：52-55，62.