由雅各布天梯谈起

由雅各布天梯谈起，激发学生的学习物理兴趣学校组织高一年级的同学去济宁市科技馆参观， 高一八班杨星宇 同学对物理展馆的雅各布天梯产生了浓厚的兴趣。 下面我简单的介绍 一下雅各布天梯：这个故事起源于圣经，雅各布梦见天使上下天堂的 梯子是闪闪发光的，后人便把这梦想中的梯子，称之为雅各布天梯。为了把道理讲清楚，我把科技馆中雅各布天梯的组成给大家介绍 一下。如下图所示：雅各布天梯演示仪由变压器、羊角电极等部分组 成。其工作原理是由变压器提 供数十万伏的高压，在羊角电 极间击穿空气，形成电弧，使 电弧向上运动，其运动过程类 似于爬梯。当电弧被拉长到 600mm左右，所施加的电压再 不能维持产生电弧所需要的 条件，电弧就消失，此时羊角 电极底部又会产生新的电弧，形成周而复始的电弧爬梯现象 。杨星宇同学在信息技术课上，利用搜索引擎找到了雅各布天梯的 工作原理，看的是懂非懂，试探问了我一声：“老师，你懂雅各布天梯的原理吗，我怎么看不懂？ ”我看了上面的内容，这不是物理学科 的内容吗，思考了一会，自己给自己装着胆子说道：“你先自己看一下，有什么看不懂问题你可以课下去我办公室找我。”没有想到的是杨星宇真来办公室找我了， 进来之后说道：“老师, 关于雅各布电梯我真有几个问题想你请教。 ”看了学生热情的来了， 我只好硬着头皮回答道：好好，有问题咱们一起讨论解决，如果咱们 俩解决不了的话可以向物理老师或者搜索引擎请教。杨星宇问道：雅各布天梯为什么会最先在羊角电极的低端产生电 弧？我说：你仔细观察一下，羊角电极有什么特点？ 学生回答说：羊角电极两极之间的距离下面小，上面大。我说：当两极间加上 5 万伏特以上高压的时候， 空气中氮原子和 氧原子中的外层的部分电子由于受到的电场力作用， 摆脱了原子核的 舒服，会从原子中剥离出来， 这时候空气形成了有阴阳离子组成的气 态物质，这时候空气被电离成为了导体。我看到杨星宇同学是懂非懂的表情， 马上提示到： 你想想夏天打 雷的时候，云层周围的空气被电离，产生了放电现象。雅各布天梯放 电的原理和夏天闪电放电是一个原理。 这是你们物理课上要学习的静 电场部分的内容。 通过与生活的例子进行类比， 我终于把放电的原理 给他解释清楚了。学生又问：电弧为什么又会爬梯子呢？ 我回到说：这个问题你问的很好，你想一下，当空气成为电的导 体的时候，空气中就会有电流通过，电流通过时怎么样？学生回答：电流通过导体会有热效应，导体会产生热量，这是焦 耳定律的内容。我说：很对，气体受热会怎么样？学生说：气体受热会膨胀，热气流会上升，我们玩的孔明灯就是 利用这个原理制作的。我说：这部分电离的空气回受热上升，形成电弧沿羊角电极向上 移动的现象。学生又问：到了羊角电极的上端，电弧为什么又消失了。我说：你想一下，这些气体在上升过程中，导电的那部分气体随 着两极间的间距加大，导体的长度变长了，相对的截面积变小了。就 像走路一样，道路的长度变长了，而道路变窄了。路是好走还是难走 了？学生说：路难走了。我说：你类比一下，电离的空气发生了上述变化，他的电阻会怎 样变化？学生说：电阻会增大。我说：增大会对产生的热量怎么样？学生说：由焦耳定律w=l2Rt,产生的热量会增加。我说：你在想一下，电阻增大了，电流会怎样变化？学生说：我想一下，电流会怎么变化？我连忙拿出纸和笔，提示说：你可以在纸上将公式推倒一下。我一边提示说：根据欧姆定律I =U，在电压不变的情况下，电R阻怎打电流会减小，那功率会怎样变化呢？我们可以采用函数的观 点，用电压和电阻表示电流带入焦耳定律的公式：2 U2 U2w = Rt 2 Rt tRR学生说：电阻增大，产生的热量会减少。我说：这就说明了电弧在上升的过程中会消失， 随着产生的热量 的减少，伴随着在空气中散失，导电那部分空气的温度会下降，发生 电离的氧原子和氮原子数量会减少， 导电的能力会继续下降，知道最 后不能导电，电弧消失。我们在网上看下一雅各布天梯的视频：你看 一下电弧在羊角电极的下方是电弧的宽度最宽，越往上运动电弧越 窄，知道最后消失。看看我分析的对吗？我们用百度搜索了一个演示雅各布天梯的视频， 果真和我分析的 一样。学生又问：为什么会周而复始的放电呢？我说：如果两个电极之间不放电，羊角电极的两极之间的电压差 会很大，羊角电极下端的空气又会电离，产生电弧周而复始上上的现 象。学生说：真的没有想到，我在物理课上学的东西还真有用。我说：一个小小的雅各布天梯演示实验，包含着很多的科学道理， 你看一下，我们用到了化学中关于空气成分的知识，原子结构的知识， 还有物理上的热胀冷缩，欧姆定律，焦耳定律的知识。其中关于电阻 的变化，还有你们在高二将要学习的电阻定律的知识。好好学习吧， 你们在课本上学习的各种知识，不知道什么时候就能用的上。总结：兴趣是做好的老师。好多学生会产生这样的疑问，我们学 的数学、物理和化学那么抽象，和我们的生活有什么联系？雅各布天 梯正是一个很好的教学案例，通过一个好玩的实验，激发学生的好奇心，是学生产生求知的动力