DIS静电计研发纪实

1.寻求根本解决方案

采用场效应管来设计电子静电计并非笔者当年的首选。笔者实际上更想采用增大静电计电容量的方法，这更符合“逆向创造技法”的思路。其基本设想如下：

如果增大静电计的电容量，其携带的电荷不仅显著增多，带电荷之后电势的升高也显著放缓，与环境的电势差也会随之大大减小。这就犹如底面积很大的容器，注入很多的液体，其液位也不会升得很高。这样的静电计不仅不易泄漏，即便有泄露也经得住泄露。使用这样的静电计做实验，对环境、器材及操作手法的要求就会大大降低，实验效果将会得到保障。

间接观察与直接观察—为什么有了DIS静电传感器还要开发DIS静电计：

根据本文所述，DIS静电传感器和静电计的内部结构是基本相同的。DIS静电传感器可以通过有线或无线方式连接计算机，DIS静电计也可以通过蓝牙连接计算机使用。一度有人质疑：为什么研发中心针对静电实验搞了两个如此相似的装置呢？其实，问这个问题的人只看到了两个装置相似，而没有看到它们的区别—DIS静电传感器需要接计算机才能使用，属于“间接观察”；而DIS静电计则因为有了实时显示实验结果的液晶屏而具备了“直接观察”的功能，可以在不依赖计算机的情况下独立完成实验，与传统的静电计（含笔者开发的电子静电计）的使用模式相同。因此对于教师和学生来说，完全可以根据不同的实验场景选择使用其中之一，并由此最大限度地满足教学的需求。

但是，受限于当时的技术手段，这个设想始终没有实现的机会。

2.DIS系统完善推动静电计的研究

进入21世纪，信息技术的突飞猛进、电子器件的不断升级，犹如成熟的果子等待我们享用。《上海市中学物理课程标准（试行稿）》引入了DIS之后，我们已经通过近十年的时间积累了相关技术，这使得基于大电容量的DIS静电计的设想得以实现。而此时，不仅要求“知识、技能”，同时强调“过程、方法”的课改纲领，已经使师生对静电实验的期望由单纯的现象演示、定性观察上升到了定量研究和过程把握的高度。这同时也为DIS静电计的研发确定了基准目标。

（1）DIS静电计的基本构成

经过近两年的努力和完善，研发中心完成了两款DIS静电计的设计。图3—10—4、图3—10—5所示分别为DIS静电计Ⅰ型和Ⅱ型的外形图。静电计的输入端可插入金属小球或法拉第圆桶（又称法拉第冰桶）等器材。

图3—10—6是它们的电路结构简图。可见，两种型号的电路类同，只是Ⅰ型的信号通过USB接口由计算机专用软件显示，包含数字、指针和波形等显示方式（图3—10—7）；Ⅱ型自带液晶屏，亦可通过将数据传输到计算机上显示，可用于学生实验，便于室外使用。

图3—10—4　DIS静电计Ⅰ外形图

图3—10—5　DIS静电计Ⅱ外形图(www.xing528.com)

图3—10—6　电路结构简图

图3—10—7　静电计显示方式

（2）DIS静电计的技术性能

DIS静电计采用了与传统的静电计相同的“电容式”结构。只不过传统静电计借助仪器本身构成了电容，而DIS静电计则在仪器内部设置了大电容电路，电容量比传统静电计大了若干个量级，带电后的电势也相应降低。借助DIS系统日益成熟的信号采集功能，即可对静电实验中的数据进行动态实时显示和记录存储。

DIS静电计相对于传统静电计，性能显著提升：

●极性指示：当需要判断极性时，传统静电计必须有一个参考电荷，而DIS静电计可以直接指示极性。

●高灵敏度且灵敏度可调：DIS静电计的灵敏度显著高于传统静电计，且灵敏度可以调整，静电实验的范围可以因测量工具的升级而扩大。

●定量研究：DIS静电计的一个重要优势在于有线性标度。与只能粗略测量的传统静电计相比，DIS静电计的精度更高。因此可以用DIS静电计来验证物理定律是线性还是指数关系。这使得实验脱离了定性观察状态，进入了测量、分析阶段。

●过程研究：DIS静电计可以借助示波显示方式实时动态地展示、记录静电实验的过程，这不仅优于传统静电计，同时也使得笔者当年设计的电子静电计相形见绌。

●可供大型演示使用：DIS静电计与计算机相连，专用软件有数字、示波、仪表等多种显示模式，可与投影、白板等现代化电教手段联用。

难做的实验往往都很好玩—也谈克服实验难关的教学意义：

本文列举了“电荷守恒”“静电感应和感应带电”“电荷平衡时导体研究”“静电屏蔽”“光电效应”五个经典实验。大家可以看出，这些实验具有一个显著的共性：以往受限于实验手段，一般做不出。但现在做得出了，大家都会认为很好玩。之所以说好玩，在于这些实验往往具有实验现象突出或结果出乎意料等特点。总之，很吸引眼球。做这样的实验，学生觉得过瘾，老师也有成就感，其教育意义自不待言。这就引出了DIS研发的深层意义：让学生从快乐中学习，让教师在成就中教学。从这个角度来看，我们怎么努力都不为过。