北京動力機械研究所 鄧利強

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，適合中學課堂實際教學的演示實驗裝置很少，學生感覺非常抽象，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“帶電粒子在勻強電場中的運動”教學演示裝置，既使學生更充分理解掌握這部分知識，又提高了學生動手能力。

二、理論基礎及研究思路

粒子我們用肉眼實際是無法看到的。因為粒子的質量非常小，要使能看到的實物小球在電場中運動，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，通常將小球用細繩吊起，做一些簡單的實驗。如用細繩吊起一小球，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。但粒子在勻強電場中的運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、偏轉實驗，難度很大，對實驗裝置的要求會很高。

要實現帶電小球在勻強電場中運動實驗，首先要有一個勻強電場且電場的工作電壓要根據實驗要求能進行調整。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生作用力的要求會很高，裝置設計難度會很大，成本會很高，沒有實用性。如何設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準。

三、實驗裝置的設計

（一）勻強電場的形成

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，形成了勻強電場。通過調整間隔距離d和通電電壓，達到調整偏轉力的大小。

（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計成為可調節(jié)的。為了保證小球均勻充電，充電器內壁設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，由于實芯小球質量重，放到上萬伏的電場中也難以偏轉。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

本裝置采用單片機實現實驗過程的控制。通過鍵盤操作和液晶顯示實現人機對話界面設計。顯示器上提示有操作的信息和顯示當前實驗工作參數。

（五）裝置組成及主要功能

裝置由主機，控制盒，回收器，支架，電纜，軟件等組成。裝置結構圖見圖1。

1.主機

主要由電路板、控制面板、機箱等組成。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。根據實驗要求實現自動和手動調節(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，用于實現操作上人機對話，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電場中運動的執(zhí)行機構。主體采用金屬外殼結構，里面有充電器、導軌、高壓偏轉板等。為了提高可視性，控制盒前面板使用透明有機玻璃板。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，程序運行中顯示有實驗參數、計算公式等。

四、實驗方法

本裝置主機采用了單片機控制，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。運行帶電小球加速程序。程序運行后，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，產生加速運動。

（二）帶電小球偏轉實驗

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

運行小球在電場中偏轉程序，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情況，充電電壓的當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原理，實現了無約束的實物小球在勻強電場中的偏轉、加速的實物演示。

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

本裝置的研制成功，為今后進一步探討將帶電粒子在勻強電場中運動的教學與實踐提供一種思路，裝置在實際教學中也得到應用。