蘇翔

摘 要：高中物理選修3-1講授了帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問(wèn)題，觀察微觀粒子的軌跡通常需要專(zhuān)門(mén)的儀器設(shè)備，因此中學(xué)生初學(xué)這部分知識(shí)時(shí)會(huì)感到比較抽象難懂。筆者設(shè)計(jì)了演示實(shí)驗(yàn)，讓紅色的帶電水滴通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)，可以明顯地觀察到，帶電水滴在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中受力，軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)。對(duì)學(xué)生理解帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問(wèn)題有很大幫助，在實(shí)際教學(xué)中也收到了很好的效果。

關(guān)鍵詞：帶電水滴；電場(chǎng)；磁場(chǎng)；偏轉(zhuǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）11-0062-2

1 前 言

帶電粒子在電場(chǎng)中會(huì)受電場(chǎng)力，運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中會(huì)受洛倫茲力，如果是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的復(fù)合場(chǎng)，則運(yùn)動(dòng)的帶電粒子會(huì)同時(shí)受電場(chǎng)力和洛倫茲力的作用。由于電場(chǎng)、磁場(chǎng)看不見(jiàn)摸不著，學(xué)生對(duì)帶電粒子在其中的受力情況的理解就很困難，非常抽象。是中學(xué)物理教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題十分重要，許多物理學(xué)家進(jìn)行過(guò)深入研究，并取得了許多重要成果；在技術(shù)中獲得廣泛地應(yīng)用[1-2]。

筆者設(shè)計(jì)了演示實(shí)驗(yàn)，讓紅色的帶電水滴通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)，可以明顯地觀察到，帶電水滴在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中受力，軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)[3-4]。對(duì)學(xué)生理解帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問(wèn)題有很大幫助。裝置示意圖和實(shí)物圖如圖1、2。

2 實(shí)驗(yàn)器材

感應(yīng)起電機(jī)、平行板電容器、高壓導(dǎo)線（含鱷魚(yú)夾）、鐵架臺(tái)、強(qiáng)磁鐵、針管、紅墨水、水槽等。

3 方法原理

在水中插入一個(gè)電極，用高壓導(dǎo)線連接至感應(yīng)起電機(jī)的一個(gè)小球上，搖動(dòng)手柄，可以使水帶上與之相連的小球相同性質(zhì)的電荷。同時(shí)，把平行板電容器兩極板與感應(yīng)起電機(jī)兩個(gè)小球分別相連，勻速搖動(dòng)手柄，在兩極板間便可近似形成一個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng)。撤去平行板電容器，水平放置一對(duì)強(qiáng)磁鐵，可觀察帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。接下來(lái)，同時(shí)把一對(duì)強(qiáng)磁鐵與一對(duì)平行板電容器垂直放置，可以觀察到洛倫茲力和電場(chǎng)力的共同作用效果。

4 演示方法與效果

4.1 帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)演示方法

1.將器材裝好， 使兩鋁板正對(duì)， 調(diào)節(jié)針管中的水滴正好從兩鋁板的正中間通過(guò)。

2.在液體中放入一根導(dǎo)線并和一鋁板接在起電機(jī)的同一個(gè)放電球上， 使其帶正電荷；另一鋁板接在起電機(jī)的另一個(gè)放電球上，使其帶負(fù)電荷。搖動(dòng)起電機(jī)就可看到下落的水滴運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這是由于針管滴下的水滴帶正電荷，受到水平方向電場(chǎng)力作用的緣故。

3.將液體中放入一根導(dǎo)線并和一鋁板接在起電機(jī)的另一個(gè)放電球上，使其帶負(fù)電，可以觀察到帶電粒子向另一方向偏轉(zhuǎn)（如圖3）。

4.2 帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)演示方法

在水中放入一根導(dǎo)線接在起電機(jī)一個(gè)放電球上，在水滴滴下方向的兩側(cè)放入一對(duì)強(qiáng)磁鐵，可以觀察到帶電液滴發(fā)生偏轉(zhuǎn)（如圖4）。

4.3 帶電水滴在電場(chǎng)、磁場(chǎng)復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)演示方法

將器材裝好， 使兩鋁板正對(duì)， 調(diào)節(jié)針管中的水滴正好從兩鋁板的正中間通過(guò)。在水中放入一根導(dǎo)線并和一鋁板接在起電機(jī)的同一個(gè)放電球上， 使其都帶正電荷；另一鋁板接在起電機(jī)的另一個(gè)放電球上， 并使其帶負(fù)電荷。將強(qiáng)磁鐵放在與電場(chǎng)垂直的方向適當(dāng)位置，搖動(dòng)起電機(jī)可以看到水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡偏轉(zhuǎn)不明顯或不發(fā)生偏轉(zhuǎn)（如圖5）。

5 結(jié) 論

本裝置現(xiàn)象明顯，通過(guò)攝像頭將帶電粒子偏轉(zhuǎn)的影像傳輸?shù)酵队皟x上，學(xué)生觀察方便，非常直觀；本裝置可以非常好地演示不同電性的粒子在同一電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)方向相反，證實(shí)了正電荷所受電場(chǎng)力與場(chǎng)強(qiáng)方向一致，負(fù)電荷所受電場(chǎng)力與場(chǎng)強(qiáng)方向相反；本裝置集成了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的現(xiàn)象，可以培養(yǎng)學(xué)生電磁場(chǎng)統(tǒng)一的思想，有利于學(xué)生物理素養(yǎng)的提高；本裝置材料易得，造價(jià)低廉，可以在中學(xué)課堂普及。

編后記：帶電水滴在電磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)是一個(gè)很好的演示實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題有很大的幫助。物理教師教學(xué)中還應(yīng)該說(shuō)明：應(yīng)該注意帶電水滴與微觀粒子有很大的區(qū)別。許多物理學(xué)家深入地研究過(guò)微觀帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，取得了許多重要科研成果。例如：電子的發(fā)現(xiàn)（湯姆森，1897年）；α粒子的散射實(shí)驗(yàn)（盧瑟福，1906年）；質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)；微觀粒子的波粒二像性……；在技術(shù)中獲得廣泛而重要的應(yīng)用（例如：陰極射線示波器；老式電視機(jī)的陰極射線顯像管；電子顯微鏡；重離子加速器……）。對(duì)于帶電液滴的研究有：密立根用油滴實(shí)驗(yàn)確定了電子的荷質(zhì)比（密立根，1907年）；威爾孫云室用霧珠顯示微觀粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡（威爾孫，1896年）；確定了雷雨云中云霧的帶電現(xiàn)象……[1-2]。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙凱華，陳熙謀.新概念物理教程 電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]郭奕林.物理學(xué)史[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993.

[3]應(yīng)少華.帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)演示實(shí)驗(yàn)的新方法[J].物理通報(bào)，2000（12）：31.

[4]陳曉莉，宋藝華.多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及其在教學(xué)中的應(yīng)用[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，39（1）：148-151.

（欄目編輯 王柏廬）endprint