高湿天气条件下完成静电演示实验装置的研究.pdf

2023 年第9期实验改进与创新高湿天气条件下完成静电演示实验装置的研究袁志强（株洲市芦淞区白关中学，湖南株洲 412101）摘要：在初中物理教学中，教师在演示“摩擦起电”实验时，成功与否不仅要看操作，有时更要看天气条件是否满足实验要求。为此，利用角铁、亚克力板、泡沫板、透明胶制作1个可拆卸的透明密闭箱体，并结合细线、磁体、有机玻璃管、橡胶棒等材料，制成“摩擦起电”演示实验装置并用于教学，此为第一期改进。在第一期改进基础上进行第二期改进：对箱体尺寸进行必要的缩小；特制1只干燥瓶并配合电吹风机工作，即改为冷风干燥；改良电吹风机并在箱内加装插座。经两次改进，装置能确保在高温潮湿条件下完成“摩擦起电”等静电演示实验。这一实验装置的改进，既拓宽了实验改进的思路，又提高了学生的学习兴趣。经教学实践验证，装置具有可视度高、操作简便、容易拆卸、便于运输及保管方便的优点。关键词：湿度；干燥；静电；摩擦起电；变色硅胶DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.09.015“摩擦起电”等静电演示实验是初中物理中的一个基础性的重要实验。教师在演示该实验时，若天气处于高温潮湿条件下，则往往无法获得预期的实验效果，同时实验材料也会影响到实验效果1。为此，笔者针对实验环境进行有针对性的创新设计，顺利地完成了静电演示实验装置的改良，确保了在任何天气条件下都能进行“摩擦起电”等静电演示实验的操作，达到了满意的教学效果。1项目研究的基本思路（1）设想制造一个易于干燥且操作方便的合适空间，从而为实验的成功创造条件。（2）寻找恰当的实验材料，以利于更容易产生摩擦起电的实验现象。（3）进一步优化器材的组装。笔者希望通过上述做法，能在演示实验的过程中观察到明显的实验现象，取得良好的实验效果。2项目研究的过程2.1第一期改进（1）创新设计装置的介绍。采用角铁、亚克力板、泡沫板、透明胶制作了1个80 cm80 cm50 cm可拆卸的透明密闭箱体，结合细线、磁体、有机玻璃管、橡胶棒、细铜丝、金属板、金属箔等材料，制成了“摩擦起电”演示实验装置，且实现了可拆卸、可收纳。（2）细节说明。角铁只有两端方框是焊接的，4条长边可拆卸，长边与两端方框采用螺丝相连接。在角铁框外，用透明胶固定对应尺寸的亚克力板，且朝向教师演示的这个方向开了 2 扇采用泡沫板制作的小门；门板与箱体间安上磁体，使开关门的操作简单、快速，能最大限度减少潮湿空气对箱内环境的影响。在箱体顶端中心外侧固定有1块磁体，用于磁吸纸屑（产生“静电飞花”）、橡胶棒、玻璃棒等实验装置。2.2第二期改进（1）第一期作品的问题：箱体过大，一个人搬动比较困难；课前预先干燥的准备时间过长，干燥速度较慢，干燥所需器具较多，不便操作；热风干燥箱体的亚克力板有轻微变形，且内部水分并未排出，实验过程中受环境温度影响，内部的湿度会发生变化；尽管采用了两层铝板接上起电机两极以增强“静电飞花”的效果，但箱体的体积过大。（2）第二期的针对性改进：箱体尺寸由 80 cm80 cm50 cm 改为 60 cm60 cm40 cm，好处是即使一个小个子学生，也能在教室之间搬动；箱体可拆卸，几个班上课组装一次就行，同时不拆散箱体也方便存放。针对第一期作品干燥剂放在箱内自然干燥速度慢及 45SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第9期实验改进与创新热风干燥的缺点，笔者在第二期作品中改为冷风干燥。为此，笔者特制了1只干燥瓶，并利用吹风机加速空气的流动。（3）在实验中笔者发现了一个奇怪的现象：湿度先下降，后又上升，无论是热风还是冷风都是如此。针对这一现象，笔者到网上查阅了干燥剂硅胶的特性，其主要成分是二氧化硅，是一种高活性吸附材料，由天然矿物经过提纯加工而成粒状或珠状。作为干燥剂，它的微孔结构（平均为2 10-10m）对水分子具有良好的亲和力。硅胶最适合的吸湿环境为室温（2032）、高湿（60%90%），它能使环境的相对湿度降低至 40%左右1。由此可见，变色硅胶在温度低于30 时干燥效果较好，造成吹风干燥过程中温度升高的问题应该出在电吹风机上。笔者仔细感觉后发现：哪怕是冷风挡的风也有微热，找了很多只电吹风机都是这样。拆开电吹风机，果然其内部电机都是采用电阻丝限流分压，这必然导致电阻丝发热。笔者采取短路电阻丝的方式，使电吹风机处于冷风挡工作时不发热。笔者查阅资料后又发现，电吹风机电机的工作电压只有 24 V，改装后肯定不能直接连接普通的交流电。据此，笔者在干燥箱内加装通过电容（15 F、450 V交流电容）分压3的插座，以供改造过的电吹风机专用。经此改装，电吹风机果然能吹出满意的冷风，在20 环境中仅干燥5 min即可将箱内湿度由 60%降至 23%，没有温度上升现象，且干燥时间越长，湿度越小。当干燥 20 min时，箱内湿度可降至15%。实验发现，变色硅胶在低于35 时均有良好的干燥效果。（4）采用改进后的电吹风机、干燥瓶，非但干燥时间更短，而且效果更稳定；改进后所需干燥器具更少，实验前的准备也更容易，可操作性更强。（5）这些改进措施解决了第一期作品中出现的问题、问题。因为第二期改进使实验箱的干燥效果得到了进一步加强，改进后的单层铜板连接起电机的1个电极而产生的“静电飞花”的效果也很好，所以就用占位空间更小的单层铜板替代第一期改进中的两层铝板的结构。（6）装置内适合的演示实验：需结合感应起电机、纸屑，才能看到纸屑在静电作用下如雪花飞舞的“静电飞花”现象；可视度很高的验电器；用橡胶棒、玻璃棒、毛皮、丝绸演示电荷间相互作用。演示前，将所需实验器材放在箱内干燥；结束后，将待用器材取出并用塑料袋密封防潮。（7）干燥方法：用变色硅胶干燥，即课前510 min，用电吹风机吹风，通过装有变色硅胶的干燥瓶，使箱内相对湿度降至 30%左右，从而保证明显的实验效果。在实验过程中，可一直持续干燥，以保持箱内干燥。硅胶有别于其他干燥剂的优点可重复使用，并可借变色程度判断其干燥能力。（8）器材制作细节：通过吹风加速干燥剂吸收空气中的水分，以干燥箱内空气；利用控制变量法寻找易于摩擦起电的特种有机玻璃；细线悬吊法能减小转动力矩，从而取得更明显的效果；用空心管代替实心棒，可减小玻璃棒质量，以减小玻璃棒的惯性；采用磁吸式泡沫门便于开关门、取挂器材等操作；密封性好，能减少外部环境湿度对内部环境的影响，营造了一个能全天候完成摩擦起电实验的环境，克服了潮湿天气难以完成静电实验的不足；改良传统实验装置，凸显了实验表现形式新颖、效果明显的优点。2.3进一步改进设想（1）去掉内部不锈钢骨架，而将亚克力板改为榫卯结构，只用电机与电容结合，适当减小尺寸，可以进一步降低制作成本，同时减轻装置重量。（2）可以进一步增强装置的可视度，进而批量生产并配置实验室，供实验教学使用。3结语教学仪器的改造、创新，有利于提高教学效率，同时也是对学生学知识、用知识的一种潜移默化的教育。只要广大教师致力于教学创新，就一定能使富有创新教育特点的初中物理教学迈上新的台阶。（本文得到长沙市教科院谭迪熬，株洲市教科院王峰、李家银三位专家的指导和帮助，特表示感谢）参考文献1 侯兆军.潮湿条件下“摩擦起电”教学的一个创新实验 J.广东教育（综合版），2012（12）：41-42.对一道中考题CO2性质实验的商榷及改进徐丹丹1，3，李德前2，3（1.徐州市科技中学，江苏徐州 221000；2.徐州市西苑中学，江苏徐州 221000；3.徐州市李德前化学名师工作室，江苏徐州 221000）摘要：某地一道中考题涉及的“二氧化碳性质”组合实验装置较为复杂，尤其是“通入二氧化碳气体熄灭蜡烛火焰”的实验未排除烟囱效应的干扰。在充分分析问题根源的基础上，借助石蕊指示剂、T形三通管、细沙和隔板等常见物品重新设计了两个二氧化碳性质组合实验。经操作验证后发现，改进后的实验不仅科学直观，而且简单实用。关键词：二氧化碳；性质实验；烟囱效应；科学性；商榷；实验改进DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.09.0162021年北京市中考化学试卷中的一道实验题值得商榷，其中“通入二氧化碳气体熄灭蜡烛火焰”的实验设计还存在科学性问题。在化学教学中，笔者对该试题中的二氧化碳性质实验进行了改进和优化，取得了显著的实验效果。1原实验试题【题目】用图1实验装置验证二氧化碳的性质，请回答有关问题：CO2封闭的塑料瓶湿润的石蕊纸花K图1试题中的二氧化碳灭火实验装置（1）实验室制取二氧化碳的化学方程式是。（2）观察到短蜡烛熄灭后，关闭K，片刻后长蜡烛熄灭，由此得出的结论是_。（3）观察到纸花变红，由此并不能得出“二氧化碳能与水发生化学反应”的结论，理由是。1【参考答案】（1）略；（2）二氧化碳密度比空气大，既不燃烧，也不支持燃烧；（3）略。笔者查阅文献后发现，该试题的命题素材来源于陈继清老师的论文 探究二氧化碳性质实验的改进2。2对试题中实验的商榷按照试题中设计的“通入二氧化碳气体熄灭蜡烛火焰”的操作进行实验时，笔者发现：在绝大多数情况下，都是仅有上面的蜡烛火焰熄灭，偶尔出现上面的蜡烛火焰先熄灭、下面的蜡烛火焰后熄灭的情况。出现这些异常现象的主要原因是导管口附近放置了燃烧的蜡烛（图1），烛火周围的热气流上升，使得每根导气管的内外管口之间产生温度差，对导管内的二氧化碳气流产生抽吸作用，即蜡烛燃烧产生了“烟囱效应”3。因此，该实验不能充分证明二氧化碳气体密度比空气大，只能说明二氧化碳不燃烧、不支持燃烧。另外，试题涉及的实验装置组合起来比较麻烦，操作不便。3对试题中实验的改进笔者利用一些常规的实验用品对二氧化碳密度比空气大，二氧化碳不燃烧、不支持燃烧，二氧化碳与水反应这3个定性实验，进行巧妙的组合设计。尤其是，创造性地利用石蕊指示剂（不用燃烧的蜡烛）来证明“二氧化碳气体在空气中能够很快地大量下沉”，从而排除“烟囱效应”的干扰，准确得出了“二氧化碳气体密度比空气大”的实验结论。3.1借助T形三通管等用品改进二氧化碳性质实验（1）实验用品。T形三通管、细木条、火柴、蓝色石蕊试纸、二氧化碳气体等。（2）实验装置。46