9.4 静电的防止与利用 创新实验及教学设计

《静电的防止与利用》创新实验及教学设计
一、 实验教材分析
1. 教材及课题：
人教版新教材物理必修第三册
第九章《静电场及其应用》第四节《静电的防止与利用》；
2. 课时目标：
（1）了解生产生活中关于静电的利用和防护；
（2）分析讨论静电在静电复印、静电喷漆和静电除尘等技术中的应用；
（3）知道在可燃气体、粉尘的环境中如何防止静电事故
3. 常见教学模式：
本节课常见的教学模式通常为把如何防止静电的危害比如加油站的静电释放器或者脱完毛衣后碰门把手被电到的场景作为引入（如图1），然后进一步结合常规的实验演示进行静电平衡、尖端放电、静电屏蔽、静电吸附的知识的讲解（如图2）。
4. 常见教学模式的局限
（1）缺乏真实情境载体：与学生交流发现，大多数学生并没有见过静电释放器，对于手被电到的印象也不是很深刻。
（2）实验繁多展示繁杂：实验涉及到很多实验器材，整节课过于碎片化，整体感不强，经常更换实验仪器也容易让学生眼花缭乱。
（3）知识缺少有效串联：知识点之间相互孤立，缺少有效串联，即使教师有一定的语言功底，但学生作为学习主体，往往并不能完全体会到课堂知识的相互关联。
（4）难以激发学生兴趣：传统的实验器材与生活实际有所脱离，也难以真正引发学生的兴趣。
二、核心实验装置
针对以上问题，放弃了绝大多数实验室中的传统设备，而采用了“掌中闪电”（特斯拉线圈）作为本节课的核心实验装置（如图3）。
三、实验教学设计
1. 课程设计理念
围绕特斯拉线圈创设基于问题导引式的情境化教学模式。以真实情境作为载体，以核心问题引领课堂主题，以一系列子问题驱动课堂进程，以延伸问题作为课后学习评价。
首先创设闪电击中建筑物，并引燃酒精棉花的核心情境，进而提出本节课的核心问题：雷雨天如何使建筑物免受伤害。
围绕着这一核心问题生成了四个环环相扣的子问题，包括闪电如何形成，如何避免闪电直接击中建筑物，如何保护建筑物内部的物品，如何消除建筑物烟囱中的烟尘这四个子问题。针对这四个子问题，围绕核心实验装置设计相应的实验情境，学生在尝试解决这些子问题的过程中，自然进行了相关知识点的学习，在解决前一个知识点的过程中自然生发出下一个子问题，使得整个课程环环相扣，一气呵成。而在解决每个问题的过程中，学生反复使用了模型建构、科学推理、科学探究等研究方法，课程从知识立意上升到了方法立意，提升了课堂的高度，提升了学生的核心素养。最后通过引导学生利用所学到的研究方法来解决延伸问题，进行知识层面和方法层面两方面的巩固和应用。
2. 课程结构设计
引入环节：演示玩具（掌中闪电）的放电现象
核心情境：利用掌中闪电模拟闪电击中建筑物，建筑物起火 核心问题：如何让建筑物免受闪电伤害？
子问题 研究方法 知识载体 具体环节 拓展应用
探究闪电的形成 实验演示+理论推导 静电感应+静电平衡+放电现象 利用导体引雷，引出静电感应，推导静电平衡 2、从静电平衡推理出尖端放电现象
避免闪电直接击中建筑物 作出猜想+实验验证+理论解释 尖端放电 让学生说出避雷针 对比安装避雷针前后不同 3、选择前述原理进行解释 避雷针、点火针
避免闪电影响建筑物内部物品 作出猜想+实验验证+理论解释 静电屏蔽 让学生自行选择保护方式 进行实验验证 3、选择前述原理进行解释 屏蔽衣、屏蔽袋等
如何消除建筑物烟囱中的烟尘 实验演示+原理理解 静电吸附 实验展示 自行阅读理解 静电除尘+静电喷涂+静电喷涂
延伸思考
把产生电场的带电体罩起能否保护外部物品不受内部电场的影响 做出猜想+实验演示+模型建构+理论推理（课后进行） 外屏蔽 引导学生观察实验 引导学生选择合理的研究方式和思想方法 引导学生运用合理的知识理论理解和解释
3. 课程实验环节
针对本课程设计中核心问题、四个子问题，以及拓展问题，围绕着核心装置分别设计了实验演示，并引出相关知识的讨论，具体如下：
四、实验效果评价
本节课的设计以及创新实验已经在优质课比赛中进行实际的应用，取得了很好的效果。这样的创新实验有效改善了传统教学中的不足：
1. 真实情境进入课堂
将生活中的真实闪电场景在安全的情况下搬入课堂，学生眼见为实，又与实际生活体验相符，激发了学生学习的兴趣，有效提升了学习效果；
2.课堂结构环环相扣
围绕核心问题和子问题引领课堂主线，推进课堂进程，使课堂环环相扣，一气呵成；
3. 紧扣核心素养目标
课程不仅仅关注知识的传递，更是通过真实情境的创设，有效促进了学生物理观念的形成，并在学习的过程中进行实验探究、模型建构、科学推理等科学思维及研究方法的渗透，提升了课堂立意，从知识立意提升到了方法立意
4. 实验课堂核心焦点
实验装置核心化，课堂主线问题化，避免课堂实验泛化，也避免了更换实验仪器时的眼花缭乱；
5. 实验易于复制推广
实验成功率高，实验器材获取方便（如图13），具有较好的复制推广性，我也曾经针对幼儿园、小学、初中等年龄段的学生进行过展示，可以说在实验设计符合学生年龄特征的情况下，极大地激发了学生的兴趣，因此这组实验具有广泛的适用范围和良好的科学教育以及工程教育的功能。
（附）所用器材：特斯拉线圈（掌中闪电）、带绝缘手柄的金属杆、金属球、金属针、酒精棉花、乐高小房子（挂有氖泡）、日光灯管、金属罐、密金属网、疏金属网、玻璃罩、手摇式起电机、导线、烟饼（含金属盘）、打火机、空饮料瓶（外层包裹金属片、底部掏空、盖子上插入锯条）。）
六、设计流程
（一）导入部分：掌上闪电小玩具演示
设计目的：
初步认识本节课的核心实验工具，为后续实验操作打好基础
设计环节：演示玩具（掌中闪电）的放电现象
展示“掌上闪电”，引导学生与生活中的静电现象如闪电相关联；
（二）创设核心情境、提出核心问题
设计目的：
设置大任务情境，形成核心任务，提出需要解决的核心问题，统领整节课
设计环节：
1、观察闪电击中建筑物模型；
2、利用火花引燃蘸酒精的棉花，引导学生重视静电现象
3、提出核心问题：如何让建筑物免受闪电伤害
（三）生成子问题链，促进知识理解
设计目的：
在大任务情境下，形成子问题，在完成子问题解决的过程中理解相关基础知识并了解更多应用，并在每个子问题的解决过程中生发下一问题，形成问题链。
子问题1：了解闪电的形成
1、演示闪电的形成过程
2、引导学生将导体靠近带电体的过程进行模型建构；
3、引导学生基于场的知识进行静电平衡及有关特点的科学推理，得出静电平衡的基本特点。
4、初步理解放电现象以及尖端放电，生发出下一子问题；
子问题2：如何避免闪电直接击中建筑物？
1、引导学生直接说出避雷针的应用；
2、进行安装与不安装避雷针不同效果的比较实验；
3、引导学生运用静电平衡、尖端放电的知识进行避雷针的原理解释；
4、引导学生观察相关动画，质疑动画的正确性，结合前面观察的实验提出避雷针还需要接地；
5、引导学生了解更多尖端放电的应用；
6、引导学生观察实验的过程中，关注闪电击中建筑物但灯依然闪亮，生发出下一问题；
子问题3：如何避免闪电影响建筑物内部
1、引导学生进行猜想：用罩子把建筑物罩起来，并提供几种选择给学生；
2、进行玻璃罩、封闭金属罩、金属网、更稀疏的金属网的实验演示
3、引导学生推理尽管封闭金属罩看不见，但通过不同稀疏成都的金属网实现屏蔽可推理出金属罩也具有金属屏蔽的作用；
4、引导学生运用静电平衡的知识进行静电屏蔽原理的理解；
5、引导学生了解更多静电屏蔽的应用；
子问题4：如何消除建筑物烟囱中的烟尘？
1、进行静电除尘的实验演示；
2、引导学生阅读文本，并进行静电吸附的知识总结，了解相关应用；
3、引导学生完成书后习题，以考察关于静电平衡、静电知识的掌握情况；
（四）延伸问题：把产生电场的带电体罩起来能否保护外部物品不受内部电场的影响呢？
设计目的：利用外屏蔽现象进一步激发学生探究兴趣，引导学生运用本节课所使用的一些思想方法，如模型建构、实验探究、科学推理等进行问题解决和原理分析，以促进知识和方法的共同发展，提升课堂外延。
设计环节：
1、提出问题：把产生电场的带电体罩起来能否保护外部物品不受内部电场的影响呢？
2、引导学生思考运用什么用的方法来进行问题解决（实验探究、模型建构、科学推理）
3、进行实验演示；引导学生进行模型建构。
4、布置课后思考：外屏蔽的基本原理。
详细实施流程
（一）导入部分：掌上闪电小玩具演示
师：今天我带来了一个小玩具，我们来看一下。
(演示：掌上闪电的放电)
师：想到了什么？
生：闪电。
师：这个玩具叫做掌上闪电，他和自然界中的闪电类似，本质上都是放电现象。只是和自然界中的闪电相比能量比较小。
（二）创设核心情境、提出核心问题
师：下面我们用这个玩具来模拟一下闪电击中玩具建筑物的场景。
师：我将掌上闪电倒置，代表云层，下面放上建筑物，为了让大家更容易看到闪电对建筑物的影响，我在建筑物上挂上了一些小氖泡，只要有电场的影响或者被闪电击中，氖泡就会亮起来。仔细看。
（演示：掌上闪电击中建筑物）
师：闪电打中了建筑物各个部分，小氖泡也亮了，似乎并没有什么严重的后果，那这些看似能量不大的放电现象就都是安全的么？
（演示：掌上闪电击中建筑物，引燃棉花）
师：显然，如果建筑物的建筑材料可燃，就会引起严重后果。那么我们今天就要一起来完成一个任务。那就是“雷雨天如何是建筑物免受伤害”。
（三）生成子问题链，促进知识理解
子问题1：了解闪电的形成
师：俗话说，知己知彼才能百战不殆，要防止闪电带来的危害，我们首先要了解闪电。所以我们今天的第一个任务就是“探究闪电的形成”。
师：首先我们通过实验探究来，看一看闪电的形成。
（演示：用金属导体靠近带小球，演示闪电的形成）
师：我们就把这个过程进行一下模型建构，把它变成物理场景。
师：导体靠近一个带电体，会出现什么现象？
生：感应起电（静电感应）
师：那么正电的金属球靠近枕形导体会出现什么结果呢？
生：A端带负电，B端带正电
师：前面已经学习过，电荷之间作用力的本质上是一个电荷产生的电场对另一个电荷的作用，所以我们究其本质，大家是否能够从电场的角度，结合导体的微观结构运用基于已有知识的科学推理来解释一下感应起电的原因么？
生1：（需要引导）电子在电场中受到与电场方向相反的作用力（向左），从而做定向移动，左侧负电荷多，所以左侧带负电，右侧负电荷少，所以带正电。
师：那么导体两端的电荷会一直积累下去么？请大家前后左右四位同学讨论一下。
生2：不会一直积累下去，因为当两侧积累的异种电荷之后，会形成一个新的电场E’，和原来的电场方向相反，根据矢量叠加原理，内部的合场强变小；电荷继续积累，E’继续增大，内部合场强继续减小，当内部合场强减为0，导体内部的电荷不再定向移动，导体两端的电荷也不再积累下去。
师：我们说此时，该导体处于了静电平衡的状态。
所以说，处于静电平衡的导体，其内部场强处处为0（板书），由于这个原因导体内的电荷也不再定向移动（板书）
我们在分析一下导体内部正负电荷的数量关系，他们是相等的，相当于他们的代数和就是0，或者我们可以说导体内部没有净剩电荷，电荷都在哪儿，左右两侧的表面，所以电荷只分布在外表面。
板书
一、静电平衡
特点：
（1）E内=0，导体内电荷不再定向移动
（2）导体内部无净剩电荷，电荷只分布在外表面
师：我们刚才用的导体是尖端，那么导体一端如果是尖端的话，处于静电平衡的导体尖端这一侧的电荷会有什么特点？
生3：电荷受到电场力的作用会尽可能的往最左边移动，于是尖端一侧的电荷会更为密集。
师：电荷密集则可以认为尖端的电荷量比较大，那么尖端周围电场强度也更大。
板书：
（3）尖锐处电荷更密集，周围电场强度大
师：尖端周围更强的电场对周围的空气产生了影响。
师：空气中有结合较为紧密的分子，不易导电，但也有少量可以自由移动的电荷，这些电荷在电场的作用下就会发生定向移动。并撞击结合较为紧密的分子。
师：原本结合紧密的正负电荷由于撞击而分解成了更多自由电荷，我们成为空气的电离，这些电荷又在电场力的作用下继续定向移动，电离产生的带负电的粒子被尖端排斥而远离尖端，带正电的粒子被尖端吸引而奔向尖端，与尖端上的负电荷中和。最后的结果等效于导体从尖端释放负电荷。从而形成了我们看到的电火花，云层和大地之间产生的电火花其实就是闪电，而金属尖端周围的电场更强，更容易放电，我们把这种放电现象叫作尖端放电。
板书：尖端放电
子问题2：如何避免闪电直接击中建筑物？
师：那么接下来，我们怎么避免闪电击中建筑物？
生：安装避雷针。
师：为什么避雷针可以保护建筑物？
生：尖端放电。
师：非常好，同学们很快学会了运用已有的知识来进行思考。但是我们还是眼见为实，利用实验来证实一下。
（演示：安装避雷针，掌上闪电更多击中避雷针）
师：生活中许多建筑物顶端都安装了避雷针，能够有效地防止雷击的危害。
师：将尖锐的金属棒安装在建筑物的顶端，可以起到避雷的作用。相当于金属针处于电场中的模型，我想请一位同学结合静电平衡、尖端放电的原理说一说避雷针师如何起到避雷的作用的
生4：当带负电的云层靠近时，房屋顶端和避雷针顶端都会感应出正电荷，尖锐的避雷针更容易放电，正电荷进入大气以及云层中和了其中的电荷。
师：请问，这里显示的避雷针的安装是否存在问题。提示一下：刚才我们用金属长针做实验的时候有没有发现，两边都会放电，这意味着什么呢？又怎么解决这个问题呢？
生5：避雷针底端连接房屋同样会损害房屋，所以还需要进行接地，从而将电子导入大地。
师：尖端放电不仅仅用于避雷针，其实我们身边也有利用尖端放电的例子。比如说煤气炉灶上面的点火器。
子问题3：如何避免闪电影响建筑物内部
师：不知道大家注意到没有，闪电影响下建筑物周围的小氖泡是闪亮的状态，这说明什么？
生：说明建筑物受到到了电场的影响。
师：如果建筑物里面有紧密仪器、电子设备也会受影响，那么我们如何避免这种影响呢？
师：能不能用个罩子罩起来。
师：这样，我们来做一下实验探究，我给大家一些选择，我这边有玻璃罩，金属罩，金属网罩，更稀疏的金属网罩，大家选一选，你绝的哪种罩子可以保护建筑物不受电场影响。
生：那就先玻璃罩吧。
（演示：玻璃罩，金属罩，金属网罩，更稀疏的金属网罩）
师：所以玻璃罩并不能起到保护作用，但金属网罩不论疏密都可以起到保护作用，我们来做一下科学推理，尽管封闭的金属罐我们无法看到内部，但其同样应该可以起到保护作用。
这种性质在技术上很有实用价值。把一个电学仪器放在封闭的金属壳或金属网里，即使外部有电场，但金属壳或金属网内电场强度保持为0，外电场对内部仪器不会产生影响。我们把金属壳或金属网的这种作用叫做静电屏蔽。
师：静电屏蔽是什么原理呢？
给大家一点提示：处于静电平衡的导体，如果挖出一个空腔来，其内部的电场有什么特点？
生：内部场强为0，所以我们看到内部灯泡就不受电场影响。
生活当中，静电屏蔽也有很多应用。比如说高压电线上工作的工人，除了穿着绝缘衣物，还要带上金属面罩；高压线本身也通过增加的几根电线构成非常稀疏的金属网来保护电线免遭雷电的损坏。
电缆的铜芯外除了包有绝缘层之外，还需要加上铝箔和铜线编制网；电子线路板的包装袋也是采用的包括金属图层的屏蔽袋；
子问题4：如何消除建筑物烟囱中的烟尘？
师：前面我们都在讨论防止静电的危害，那么静电有没有可以利用的地方呢？我们直接来观察一个实验。
（演示：静电除尘）
师：在这个实验中，我们除去了烟雾，大家猜一猜可能是什么原理呢？
生：电荷之间的吸引和排斥。
师：请大家阅读课本第21页，验证一下自己的想法。读完之后请尝试完成书后习题第2题
生：锯条附近的电场更强，因为锯条有更多的尖端。
锯条接负极，其附近的空气更容易被电离，其中的正电荷向锯条运动，电子向金属片运动并吸附在上面，最后在重力的作用下落下去。烟尘就消失了。
师：除了静电除尘，静电喷涂、静电复印等技术也应用了静电吸附的原理。
（三）总结及延伸问题
我们今天围绕“雷雨天如何使建筑物免受伤害”这一核心任务，在解决四个子任务的过程中掌握了，静电平衡、尖端放电、静电屏蔽以及静电吸附等基本知识，并了解了他们的各种应用。在解决这些问题的过程中，我们运用了实验探究、模型建构、科学推理等研究方法。
最后在给大家布置一项拓展性任务：如果把产生电场的带电体罩起来能否保护外部物品不受内部电场的影响呢？结合今天我们所用的研究方法，大家可以思考一下我们该如何研究。我们一步步看，首先要实验探究
（演示内屏蔽）要解决这个问题，我们需要做一下模型建构，相当于用金属罩把带电体罩起来的模型，
（演示：内屏蔽）
回去之后请大家结合今天以及本章所学习的知识进行一下科学推理：以上现象出现的原因是什么？