探究感应起电机在初中电学教学中的作用

摘要：利用感应起电机完成一些易受环境影响的电学实验，探究电压的初步概念，是迈入电学之门、认识“能量”这一自然科学主题的关键一步。本文就不同阶段如何利用感应起电机，并以此进行理性探究。
　　
　　关键词：感应起电机;实验探究;理性探究;电压
　　
　　在初中物理教学中，电学部分所涉及的概念、规律较多，而且比较抽象。如：电流方向的规定、电压的概念、导体中的电流跟导体两端的电压的关系(欧姆定律)、电阻的概念、电功的计算、家庭电路相线和中性线的区别、测电笔的道理……尤其是电压的概念，它是整个电学知识的“纲”与“领”，搞好“电压”的教学，具有提纲挈领的作用。但是，“电压”的概念是公认的教学难点。虽然电压是与场理论有关的深奥概念，在初中阶段不可能科学地、完整地掌握，但是也不能像传播科普知识一样让学生只是大概了解，在教学中需要尽量用科学的方法来得出电压的概念，这就是“难点”之处。如果只是用传统的说教来进行类比，只是让学生用脑去进行思维想像，这对思维能力还处于开发阶段的初中学生，势必不能跳出“难”的圈子。在近几年的教学中，我越来越感到不同阶段使用感应起电机，不但起到刺激学生感官的作用，激发起学习兴趣，而且使“电压”一节的难点分散到各个阶段，对抽象知识的讲解变得简单明了，学生易接受，且记得牢，还能举一反三。下面是我在不同阶段使用感应起电机的做法。
　　
　　[实验一]利用感应起电机，验证电荷之间的作用规律。
　　
　　虽然电压是一个与场理论有关的概念，但是在初中阶段，可以认为电压是导体两端“带电情况”不同造成对导体中自由电荷的电场力作用而做定向移动形成电流的原因。为此，做好“电荷”之间的作用规律的实验是讲好“电压”一节的基础。但是，“摩擦起电”的实验受环境的制约，实验效果不明显。用感应起电机来演示“电荷”之间的作用规律就弥补了这一不足。具体做法是：
　　
　　(1)先让感应起电机闪电、发声，使学生的耳眼受到“电”的刺激，激发对“电”进行思维活动。再用验电器的小球依次接触起电机的带电小球，使验电器的箔片张开，表明起电机的两个小球带上了电荷。
　　
　　(2)用细线悬着的泡沫小球接触感应起电机上的一个带电小球，会明显地发现泡沫小球被吸住，但马上又弹开。接着让泡沫小球在感应起电机的两个带电小球之间来回激烈地跳跃。以此验证带电体吸引轻小物质的性质、接触带电的规律，尤其是电荷之间的作用规律，以及感应起电机的两个小球带异种电荷，这是利用感应起电机讲“电压”一系列实验的关键。
　　
　　[实验二]利用感应起电机，验证正负电荷的中和现象
　　
　　电流方向的规定，是学生非常难于接受的。在正负电荷中和的现象中，负电荷(电子所带的)的转移相当于正电荷(原子核所带的)反方向转移，这种讲法学生易接受，但还需生动的实验加以验证。具体做法是：
　　
　　(1)先让感应起电机闪电再用手做出欲接触带电小球的样子，问：敢吗？(不敢)为什么？(有电)两个带电球带的电荷一样吗？(不一样)，假定其中一个小球带正电，提问：为什么带正电？(缺少电子)另一个小球为什么带负电？(多余电子)再将两个小球接触后，用手接触小球。问：为什么敢了？引出对正、负电荷中和现象的探讨，得出：感应起电机的两个带电小球带等量的异种电荷，带正电的小球缺少多少电子，带负电的小球就多余多少电子，当它们接触时，带负电的小球上的多余电子就被吸到带正电的小球上，与其所带的正电荷发生中和。最后得出正负电荷中和的实质是“电子转移”，以及“感应起电机的两个带电小球带等量的异种电荷”，为后面讲电流方向的规定奠定基础。
　　
　　[实验三]利用感应起电机认识电流的形成及电流方向的规定
　　
　　由前面两个实验加上师生的共同探讨，就可以建立一个较清晰的物体的电结构理论，反过来利用这个理论去解释一些静电现象——物体显示电性的原因、接触带电的规律、正负电荷的中和等。在这个理论和实验的互相验证中，为学习的重点——电流的形成、电流方向的规定、电压的概念打下基础。
　　
　　利用感应起电机讲电流的形成及其方向的规定，除应注意利用前面实验得到的结论：1、起电机的两个小球带等量的异种电荷;2、铝电线芯是导体。还应讲清楚带电小球带正电说明了什么？(缺少电子)带负电说明了什么？(多余电子)带等量的异种电荷说明了什么？(带正电的小球缺少多少电子，带负电的小球就多余多少电子)以及金属导体的结构怎样？(中性原子、正离子、自由电子)然后演示：用中间塑料套的裸铝线连接起电机的两个带电小球。在这个实验的基础上引出：原来带负电的小球把多余的电子传给了原来带正电的小球，两球不再有多余电子，也不缺少电子。牵引出：电子带着负电荷从原来带负电的小球上传到原来带正电的小球上，与所带的正电荷发生中和，相当于原子核带着正电荷从原来带正电的小球上传到原来带负电的小球上，与所带负电荷发生中和。由此得到对电流方向的规定：正电荷定向移动的方向与其形成电流方向相同，而负电荷定向移动与其形成电流方向相反。这样就把“电流方向”与“水流方向”的不同之处讲清楚。
　　
　　[实验四]利用感应起电机讲电压
　　
　　通过前面的实验，讲“电压”这一节时，已是水到渠成。在课堂上使用感应起电机只是把前面已做过的实验重做一下，归纳一下，使学生能在轻松愉快的氛围中学到电压的初步知识。具体做法是：
　　
　　(1)先使感应起电机起电，假定其中一球带正电，用裸铝线使其与验电器连接。
　　
　　问：验电器带上了什么电荷？(正电荷)为什么？(验电器金属球上的自由电子被吸引到起电机带正电的小球上)用塑料皮连接行吗？(不行)为什么？(铝线中有自由电荷—自由电子，而塑料皮中的电荷只束缚在原子范围内，只能在原处做振动不能自由移动)铝线中的自由电子怎样移动？所形成的电流方向怎样？。再用裸铝线使起电机的另一带电球(由前面的假定推出其带负电荷)与验电器连接，重复以上的回答。最后用裸铝线连接起电机的两个带电小球(仍按前面假定的带电情况)问：原来带正电的小球还带正电吗？(不带电了)原来带负电的小球还带负电吗？(不带电了)为什么？(原来带负电的小球把多余的电子传给了带正电的小球，两小球不再多余电子，也不缺少电子)铝线中的自由电子怎样移动？所形成的电流方向怎样？
　　
　　(2)出示挂图或利用多媒体软件制作成动画图片，把“水流”与“电流”相类比，得出电压的概念以及电源和用电器的作用。什么是电压？由于导体两端“带电情况”不同，使导体中的自由电荷受到电场力的作用而做定向移动形成电流。因此，就把导体两端“带电情况”不同，叫做导体两端之间存在着“电压”。电源的作用：靠其他形式的能克服电场力做功而转化为电能。用电器的作用：靠电能在电场力的作用下克服阻碍做功而转化为其他形式的能。
　　
　　通过近几年的教学实践，我感到这样讲“电压”能起到“纲领”的作用。例如，对引出导体的电流与其两端电压的关系实验就水到渠成，并由此引出电阻的概念，使学生容易接受，又如家庭电路中的火线、零线和地线的区别，使用测电笔的道理变得容易理解。通过在实验基础上探讨，可以轻松地用诠释“电能”“、电流做功”的含义，并由此而引来“电压的单位”，与后面有关电功、电功率、焦耳定律、纯电阻电路(消耗的电能全部用来克服电阻R而转化为内能的电路)的知识有机地联系起来。利用感应起电机，以做好一系列电学实验为基础，来初步了解电压的概念，是迈进电学之门的关键，并为新课程标准中所弘扬的能量这一主题立下汗马功劳。