電場(chǎng)加速器演示儀的制作與應(yīng)用①

于 淼 傅友東 金 冬

(1. 江蘇省高郵第一中學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225600;2. 江蘇省高郵市臨澤中學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225600)

1 引言

電場(chǎng)是客觀存在的物質(zhì),看不見(jiàn)、摸不著,非常抽象,學(xué)生對(duì)電場(chǎng)的理解有一定的難度。電場(chǎng)會(huì)對(duì)其中的帶電粒子產(chǎn)生力的作用,電場(chǎng)力會(huì)不會(huì)使帶電粒子加速?[1]如果通過(guò)實(shí)驗(yàn)展示相應(yīng)的現(xiàn)象,就可以很好地解決學(xué)生的困惑。有老師研究了帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn),[2-3]可在一定程度上促進(jìn)學(xué)生的理解。為了更好地解決這類問(wèn)題,筆者自制了直線電場(chǎng)和圓形電場(chǎng)加速器演示儀,用來(lái)演示帶電粒子在電場(chǎng)中的加速現(xiàn)象,以加深學(xué)生對(duì)該知識(shí)的理解。

2 實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 直線電場(chǎng)加速器

2.1.1 實(shí)驗(yàn)器材

如圖1所示,直線電場(chǎng)加速器由感應(yīng)起電機(jī)、PVC管(長(zhǎng)為50厘米、直徑為5厘米、壁厚為2毫米)、一面帶膠的銅箔(長(zhǎng)為2米)、鋁箔球、導(dǎo)線等組成。先將PVC管用切割工具沿直徑方向一分為二,取其中一份,將銅箔貼在PVC管上。將銅箔粘在PVC管的內(nèi)壁,相鄰銅箔間的距離為6厘米,且左側(cè)三條銅箔是相連的。圖2所示為PVC管的背面,這三條銅箔接到圖2右側(cè)標(biāo)“-”的銅箔條上,圖中標(biāo)正、負(fù)極是為了確定銅箔的連接,同樣也可以標(biāo)負(fù)、正極,右側(cè)三條銅箔也是相連的,這三條銅箔是接到圖2左側(cè)標(biāo)“+”的銅箔條上。

圖1

圖2

2.1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

如圖1所示,將直線電場(chǎng)加速器放到水平桌面上,可以將PVC管一端適當(dāng)墊高,平衡掉鋁箔球所受的摩擦力,用導(dǎo)線分別將直線電場(chǎng)加速器的正、負(fù)極連接到起電機(jī)的兩個(gè)放電叉桿上,將鋁箔球放到直線電場(chǎng)加速器墊高的一端的銅箔上,且緊靠銅箔的內(nèi)側(cè),搖動(dòng)感應(yīng)起電機(jī)就會(huì)發(fā)現(xiàn)鋁箔球開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)。

如圖3所示,當(dāng)感應(yīng)起電機(jī)起電后,銅箔1上就會(huì)帶電(假設(shè)帶正電),鋁箔球與銅箔1接觸就會(huì)被帶上同種性質(zhì)的正電荷,同種電荷相互排斥,鋁箔球就會(huì)離開(kāi)銅箔1,此時(shí)在銅箔1和銅箔2間(區(qū)域1)形成方向向右的電場(chǎng),鋁箔球在區(qū)域1所受電場(chǎng)力方向向右,就會(huì)向右加速運(yùn)動(dòng);當(dāng)運(yùn)動(dòng)到銅箔2時(shí),鋁箔球所帶的正電被中和并帶上負(fù)電并進(jìn)入?yún)^(qū)域2,在區(qū)域2電場(chǎng)方向向左,帶負(fù)電的鋁箔球所受的電場(chǎng)力方向還是向右,鋁箔球繼續(xù)向右加速運(yùn)動(dòng);由此類推,可知鋁箔球在5個(gè)區(qū)域里所受的電場(chǎng)力都是向右,一直向右加速,這就是直線電場(chǎng)加速器的工作原理。

圖3

2.2 圓形電場(chǎng)加速器

2.2.1 實(shí)驗(yàn)器材

如圖4所示,圓形電場(chǎng)加速器由感應(yīng)起電機(jī)、直徑為20厘米的圓盤、長(zhǎng)為1米的一面帶膠的銅箔、鋁箔球、導(dǎo)線等組成。將兩條長(zhǎng)為25厘米的銅箔粘在圓盤中間形成十字形狀,再在圓盤壁上粘上4條10厘米長(zhǎng)的銅箔,并在圓盤外壁粘上一圈銅箔,與這4條銅箔相連,相鄰銅箔間的距離為7厘米。使十字形銅箔帶正電,4條圓盤上的銅箔帶負(fù)電。

圖4

圖5

2.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

如圖4所示,將圓形電場(chǎng)加速器放到水平桌面上,用導(dǎo)線分別將圓形電場(chǎng)加速器的正負(fù)極連接到感應(yīng)起電機(jī)的兩個(gè)放電叉桿上,將鋁箔球放到圓形電場(chǎng)加速器任意一條銅箔上,搖動(dòng)感應(yīng)起電機(jī)就會(huì)發(fā)現(xiàn)鋁箔球沿著圓盤做圓周運(yùn)動(dòng)。

如圖6所示,當(dāng)起電機(jī)起電后,銅箔1上就會(huì)帶電(假設(shè)帶正電),鋁箔球與銅箔1接觸就會(huì)被帶上同種性質(zhì)的正電荷,同種電荷相互排斥,鋁箔球就會(huì)離開(kāi)銅箔1(假設(shè)鋁箔球整體在銅箔的右側(cè)),此時(shí)在銅箔1和銅箔2間(區(qū)域1)形成順時(shí)針?lè)较虻碾妶?chǎng),鋁箔球在區(qū)域1所受電場(chǎng)力向右,就會(huì)向右加速運(yùn)動(dòng);當(dāng)運(yùn)動(dòng)到銅箔2時(shí),鋁箔球所帶的正電被中和并帶上負(fù)電進(jìn)入?yún)^(qū)域2,在區(qū)域2電場(chǎng)方向沿逆時(shí)針?lè)较?帶負(fù)電的鋁箔球所受的電場(chǎng)力還是沿順時(shí)針?lè)较?鋁箔球繼續(xù)順時(shí)針加速運(yùn)動(dòng);由此類推,可知鋁箔球在8個(gè)區(qū)域里所受的電場(chǎng)力都是沿順時(shí)針?lè)较?一直沿順時(shí)針?lè)较蚣铀?這就是圓形電場(chǎng)加速器的工作原理。

圖6

3 結(jié)語(yǔ)

利用自制的直線電場(chǎng)加速器和圓形電場(chǎng)加速器,可以很直觀地演示鋁箔球在電場(chǎng)力作用下的運(yùn)動(dòng),通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)演示,可使學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)理解得更加透徹,為學(xué)習(xí)電場(chǎng)和電場(chǎng)力奠定基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)的注意點(diǎn):(1) 鋁箔球質(zhì)量要足夠小;(2) 銅箔之間的距離不能太近,不然銅箔間就會(huì)放電;(3) 搖動(dòng)感應(yīng)起電機(jī)后如果鋁箔球不運(yùn)動(dòng),可以給它一個(gè)微擾,這樣它就會(huì)運(yùn)動(dòng)起來(lái)。

實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn):(1) 可以將帶電粒子放大化(利用鋁箔球代替帶電粒子),易于觀察;(2) 實(shí)驗(yàn)器材容易制作,便于推廣;(3) 實(shí)驗(yàn)易操作,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯;(4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論真實(shí)、可靠。