“帶電粒子在勻強(qiáng)電場中運(yùn)動”演示裝置

北京動力機(jī)械研究所 鄧?yán)麖?qiáng)

一、問題的提出

電場是高中物理重要章節(jié)，老師每到講解這部分知識時，適合中學(xué)課堂實際教學(xué)的演示實驗裝置很少，學(xué)生感覺非常抽象，無法理解，老師也覺得很難講。如果有一種演示效果好的實驗裝置并結(jié)合理論知識的講解將會加深這部分知識的理解。為此，研制了“帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的運(yùn)動”教學(xué)演示裝置，既使學(xué)生更充分理解掌握這部分知識，又提高了學(xué)生動手能力。

二、理論基礎(chǔ)及研究思路

粒子我們用肉眼實際是無法看到的。因為粒子的質(zhì)量非常小，要使能看到的實物小球在電場中運(yùn)動，因要克服小球的重力需要很高的電源電壓，對實驗裝置要求很高。目前見到的一些實驗裝置，為了克服重力對小球的影響，通常將小球用細(xì)繩吊起，做一些簡單的實驗。如用細(xì)繩吊起一小球，用電棒接觸小球使小球帶電，將小球放入電場中，小球發(fā)生偏轉(zhuǎn)。但粒子在勻強(qiáng)電場中的運(yùn)動實際上是沒有約束的。如果要做一個實物無約束的小球在電場中加速、偏轉(zhuǎn)實驗，難度很大，對實驗裝置的要求會很高。

要實現(xiàn)帶電小球在勻強(qiáng)電場中運(yùn)動實驗，首先要有一個勻強(qiáng)電場且電場的工作電壓要根據(jù)實驗要求能進(jìn)行調(diào)整。由于電場的工作電壓是高壓，因此，對實驗過程的可操作性、安全性要充分考慮。其次，如要具有良好的可視性，需選擇可視的帶電小球。小球如果選的太大、太重，對充電電壓和電場產(chǎn)生作用力的要求會很高，裝置設(shè)計難度會很大，成本會很高，沒有實用性。如何設(shè)計出具有很好的可視性，同時制造成本低，安全性好的實驗演示裝置是制作的可行性標(biāo)準(zhǔn)。

三、實驗裝置的設(shè)計

（一）勻強(qiáng)電場的形成

使用兩塊不銹鋼板平行放置，間隔距離為d。將一塊板接地，一塊板通上直流高壓。這樣，形成了勻強(qiáng)電場。通過調(diào)整間隔距離d和通電電壓，達(dá)到調(diào)整偏轉(zhuǎn)力的大小。

（二）充電電壓的形成

要使小球在電場一定的情況下偏轉(zhuǎn)到不同的距離，需要為小球提供不同的充電電壓。因此充電電壓大小設(shè)計成為可調(diào)節(jié)的。為了保證小球均勻充電，充電器內(nèi)壁設(shè)計成近似拋物線形狀，使小球沿拋物線形面滾下，采取接觸充電方式使小球帶上電荷。

（三）帶電小球的選擇

最先選擇將錫箔紙撮成小球，小球很輕，有導(dǎo)電特性，但小球很難撮圓，一致性差，滿足不了實驗的要求。后來選擇金屬小球，如軸承用金屬小球，小球很圓，一致性好，但通過實驗發(fā)現(xiàn)，由于實芯小球質(zhì)量重，放到上萬伏的電場中也難以偏轉(zhuǎn)。再后來，選擇了一種塑料芯外部鍍金屬層的小球，小球即輕、又圓，一致性好，又有金屬特性，可以充電，滿足了實驗要求。

（四）裝置控制與操作

本裝置采用單片機(jī)實現(xiàn)實驗過程的控制。通過鍵盤操作和液晶顯示實現(xiàn)人機(jī)對話界面設(shè)計。顯示器上提示有操作的信息和顯示當(dāng)前實驗工作參數(shù)。

（五）裝置組成及主要功能

裝置由主機(jī)，控制盒，回收器，支架，電纜，軟件等組成。裝置結(jié)構(gòu)圖見圖1。

1.主機(jī)

主要由電路板、控制面板、機(jī)箱等組成。電路板形成了電場所需的工作電壓，金屬小球所需的充電電壓可調(diào)。根據(jù)實驗要求實現(xiàn)自動和手動調(diào)節(jié)電源電壓、記時、報警等功能?？刂泼姘迳嫌墟I盤、液晶顯示器，用于實現(xiàn)操作上人機(jī)對話，提高了裝置的可操作性，安全性。

2.控制盒

控制盒是帶電小球在勻強(qiáng)電場中運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主體采用金屬外殼結(jié)構(gòu)，里面有充電器、導(dǎo)軌、高壓偏轉(zhuǎn)板等。為了提高可視性，控制盒前面板使用透明有機(jī)玻璃板。在面板后面安裝有照明燈，即使在光線較差條件下也能觀測到小球的運(yùn)動軌跡。

3.回收器

收集實驗中落下的小球，使小球可再使用。

4.軟件

將幾個實驗，編制成便于操作的程序，程序運(yùn)行中顯示有實驗參數(shù)、計算公式等。

四、實驗方法

本裝置主機(jī)采用了單片機(jī)控制，提供了豐富硬件接口，可以滿足多種實驗要求。

（一）帶電小球加速實驗

在電場不通電的情況下，將小球置到電場的正極板上靜止不動。運(yùn)行帶電小球加速程序。程序運(yùn)行后，小球接觸到電場正極板而帶上正電荷。帶電小球在電場中受到電場力的作用，產(chǎn)生加速運(yùn)動。

（二）帶電小球偏轉(zhuǎn)實驗

電場的工作電壓和極板間的距離固定不變，因此電場強(qiáng)度一定。進(jìn)入電場小球偏轉(zhuǎn)情況主要取決于小球帶電荷多少。

運(yùn)行小球在電場中偏轉(zhuǎn)程序，裝置自動為電場加一固定電壓值，使電場保持不變。為充電器加一設(shè)定電壓。投放小球，通過按動前面板↑鍵（增加充電電壓）或按動前面板↓鍵（減少充電電壓），觀測小球在電場中偏轉(zhuǎn)情況，充電電壓的當(dāng)前值在顯示器中顯示。

五、效果及意義

本裝置采用電場原理和力學(xué)原理，實現(xiàn)了無約束的實物小球在勻強(qiáng)電場中的偏轉(zhuǎn)、加速的實物演示。

采用理論研究與實驗裝置相結(jié)合的方法，特別是通過實際生活應(yīng)用實例的研究，加深了對電場學(xué)、力學(xué)方面知識點的理解。

本裝置的研制成功，為今后進(jìn)一步探討將帶電粒子在勻強(qiáng)電場中運(yùn)動的教學(xué)與實踐提供一種思路，裝置在實際教學(xué)中也得到應(yīng)用。