“帶電粒子在電場(chǎng)中加速運(yùn)動(dòng)”演示教具的制作

呂守明

摘 要：“帶電粒子在電場(chǎng)中加速運(yùn)動(dòng)”是高考考查的重點(diǎn)內(nèi)容，課堂教學(xué)上只是利用圖示顯示電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速原理，然而這種微觀物理現(xiàn)象看不見、摸不著，學(xué)生感覺非常抽象，影響了學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)的深入理解.為了使微觀帶電粒子在電場(chǎng)中加速運(yùn)動(dòng)形象化、直觀化，給學(xué)生一個(gè)清晰的感性認(rèn)識(shí)，制作了“帶電粒子在電場(chǎng)中加速運(yùn)動(dòng)”的演示教具，模擬物理現(xiàn)象，進(jìn)一步發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的重要作用.

關(guān)鍵詞：演示教具;帶電粒子;加速運(yùn)動(dòng);平行板電場(chǎng)

中圖分類號(hào)：G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ? ? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）15-0047-02

作者簡(jiǎn)介：呂守明（1963-），男，黑龍江巴彥人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

1 教具的制作

1.1 帶電粒子的制作

將直徑約2mm的泡沫塑料顆粒（可以由泡沫顆粒獲得）100余粒倒入適量的墨汁中均勻攪拌，晾干后備用，這樣制成的表面涂有導(dǎo)電層的泡沫顆粒，既解決了粒子的帶電問題，又可以放電.

1.2 可改變間距的平行板電場(chǎng)的制作

設(shè)計(jì)直徑為6cm、高10cm的帶長(zhǎng)尾夾的透明塑料圓柱形盒子，將厚約0.15mm的鍍鋅鐵皮用鐵剪刀剪成直徑約5.8cm的圓形共兩塊，并在其上焊接上兩個(gè)電極.將兩塊圓形鍍鋅鐵片，一塊固定在透明塑料圓柱形盒子的底端，作為固定的下極板;再將直徑約5.8cm的圓形鍍鋅鐵片通過(guò)螺釘與一直徑為0.8cm的塑料圓桿固定在一起，該塑料圓桿與透明塑料圓柱形盒子上蓋中心孔連接，且與孔緊密配合.塑料圓桿在力的作用下可以上下移動(dòng)，以改變平行板電場(chǎng)兩板間的間距;當(dāng)用手握住圓桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)平行板電場(chǎng)兩板間距就發(fā)生改變，形成可移動(dòng)的上極板，同時(shí)在上極板上焊接上電極的引線，這樣就制成了可調(diào)節(jié)間距的平行板電場(chǎng)，實(shí)物圖如圖1所示.

1.3 高壓發(fā)生器的制作

高壓發(fā)生器如圖2所示.按照?qǐng)D2連接好電路，其中在網(wǎng)上直接郵購(gòu)實(shí)驗(yàn)用40kV的高壓模塊，一般外形尺寸為直徑2.5cm、長(zhǎng)10cm的圓柱形（價(jià)格15元左右），將4個(gè)5號(hào)電池盒用導(dǎo)線串聯(lián)起來(lái)，同時(shí)連接上一只按鈕開關(guān)S1，再按電路圖連接上雙擲開關(guān)S2，再將4節(jié)5號(hào)充電電池分別放入電池盒中以便對(duì)高壓模塊進(jìn)行供電，高壓模塊的兩個(gè)輸出端分別再接上一根長(zhǎng)約30cm的導(dǎo)線，上述高壓模塊、4節(jié)5號(hào)電池盒固定到一個(gè)立方體盒子里邊、兩只開關(guān)通過(guò)打孔固定到盒子的兩側(cè)，焊接好電路.

2 教具的功能及用法

2.1 模擬兩極板電壓越高粒子的速度越大的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

由圖3可知，理論上對(duì)特定的帶電粒子在電場(chǎng)中獲得的速度與兩板間的電壓有關(guān)，兩板間電壓越高粒子獲得的速度越大，但是一般很難從實(shí)驗(yàn)上讓學(xué)生直接觀察到粒子被加速的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)裝置不但能讓學(xué)生直接觀察到粒子被加速的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還能讓學(xué)生直接觀察到電壓越高粒子獲得的速度越大的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

具體操作過(guò)程如下：按照可調(diào)間距高壓發(fā)生器電路圖（如圖2），先把開關(guān)S撥到2，按下開關(guān)S1觀察帶電顆粒在兩極間的運(yùn)動(dòng)速度，放開開關(guān)S1，帶電顆粒在兩極間停止運(yùn)動(dòng)，再把開關(guān)S撥到1后，即提高輸出電壓，再按下開關(guān)S1觀察帶電粒子在兩極間的運(yùn)動(dòng)速度，觀察發(fā)現(xiàn)第二次實(shí)驗(yàn)中顆粒在兩板間運(yùn)動(dòng)速度明顯增大，實(shí)驗(yàn)定性地說(shuō)明了在電場(chǎng)中兩板間電壓越高帶電粒子所獲得的速度越大.

2.2 觀察兩板間所加電壓不變時(shí)板間距越小電場(chǎng)力越大的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

可參看可變間距平行板電場(chǎng)的實(shí)物圖，先將間距調(diào)到10cm左右，將高壓發(fā)生器的開關(guān)S撥到2，按下開關(guān)S1發(fā)現(xiàn)下面的帶電粒子不動(dòng)，將兩板間距逐漸減小到某一較小數(shù)值時(shí)就發(fā)現(xiàn)下面的一些帶電粒子開始先向上加速運(yùn)動(dòng)，撞到上極板后再向下加速運(yùn)動(dòng)，其基本原理是若下極板帶負(fù)電，靜止在下極板的粒子也就帶上負(fù)電，其同時(shí)受到向下的重力和向上的電場(chǎng)力作用，當(dāng)電場(chǎng)力大于重力時(shí)，帶電粒子就開始向上加速運(yùn)動(dòng)，粒子撞到上極板瞬間放出負(fù)電又帶上正電荷，這樣帶電粒子又受方向均向下電場(chǎng)力和重力作用而向下加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)帶電粒子撞到下極板瞬間帶上負(fù)電，所受電場(chǎng)力方向又變?yōu)橄蛏锨掖笥谥亓υ傧蛏霞铀龠\(yùn)動(dòng)，此后循環(huán)往復(fù);板間距越小參與上下運(yùn)動(dòng)的粒子越多，說(shuō)明同一個(gè)帶電粒子受電場(chǎng)力越大，這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象定性地說(shuō)明了當(dāng)兩板間電壓一定時(shí)，板間距越小，帶電粒子所受電場(chǎng)力越大.

3 教具的主要優(yōu)點(diǎn)

（1）該實(shí)驗(yàn)教具有微型化特點(diǎn)，便于在教室演示和實(shí)驗(yàn)操作，原理清晰、可見度高.

（2）該實(shí)驗(yàn)教具制作取材易得、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝方便，便于教師使用.

（3）該實(shí)驗(yàn)教具能將微觀現(xiàn)象宏觀化處理，可以讓學(xué)生深刻感受微觀物理現(xiàn)象與宏觀物理現(xiàn)象間存在密切聯(lián)系.

（4）若指導(dǎo)學(xué)生親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，更有利于培養(yǎng)其科學(xué)的實(shí)驗(yàn)探究精神和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作技能.

（5）靜電實(shí)驗(yàn)受空氣濕度影響很大，特別是在我國(guó)南方影響更大，但是筆者設(shè)計(jì)的教具在南方地區(qū)使用時(shí)性能也很穩(wěn)定.

4 結(jié)束語(yǔ)

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，教師使用該教具后，由于該實(shí)驗(yàn)教具有微型化特點(diǎn)，使用過(guò)的教師都感覺操作很方便，課前基本不用調(diào)試，安全穩(wěn)定可靠，攜帶也很方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，老師們很喜歡使用它上課，教學(xué)效果很理想.學(xué)生使用該演示教具后，普遍感覺到該實(shí)驗(yàn)直觀很有趣，對(duì)帶電粒子在電場(chǎng)中被加速的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在腦海里的印象清晰、深刻，對(duì)速度與電壓的關(guān)系、電場(chǎng)強(qiáng)度與板間距間的關(guān)系理解得比較透徹了.

對(duì)于教學(xué)，如果老師們都能集思廣益一起攜手參與制作出各類適用教具，大家共同交流使用，將會(huì)使我們的物理課堂更生動(dòng)、更有趣、更有吸引力.充分發(fā)揮自制實(shí)驗(yàn)教具對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材的補(bǔ)充作用，讓更多的可靠、穩(wěn)定、高效的自制實(shí)驗(yàn)教具走進(jìn)我們的課堂，走進(jìn)我們的實(shí)驗(yàn)室，會(huì)使學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的學(xué)習(xí)更感興趣，也會(huì)使物理教師在提升物理課堂教學(xué)質(zhì)量方面找到更多、更好的有效方法.

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（收稿日期：2021-05-26）