焦艷芳 孟繼飛

摘?要：帶電粒子在電場中的運動這節(jié)課，在傳統(tǒng)教學中往往注重理論推導，而忽略了學生感性認識不足帶來的理解困難.三個創(chuàng)新實驗，解決了微觀粒子的可視性不好且對實驗環(huán)境要求苛刻、取材困難等難題，增強了學生的感性認識，同時也幫助學生構建物理模型，促進學生理論聯(lián)系實際.

關鍵詞：帶電粒子;電場;創(chuàng)新實驗

文章編號：1008-4134（2020）07-0053中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

作者簡介：焦艷芳（1983-），女，安徽安慶人，碩士，中學一級教師，研究方向：物理學科教學;孟繼飛（1979-），男，黑龍江牡丹江人，本科，中學一級教師，研究方向：物理學科教學.

1?實驗設計背景

2017年版普通高中物理課程標準中對“帶電粒子在電場中的運動”一課的要求是：能分析帶電粒子在電場中的運動情況，能解釋相關的物理現(xiàn)象.雖然課標并沒有對實驗提出要求，然而教師們在講解這節(jié)內容時卻感覺非常困難.電場看不見也摸不著，帶電粒子又很難用肉眼直接觀察，人們必須要通過在密閉的玻璃罩中充入惰性氣體，?讓電子槍發(fā)出的電子經(jīng)過惰性氣體發(fā)出熒光，才能觀察電子的軌跡.由于設備高度的集成性，導致加速和偏轉的極板很難被觀察到，也無法拆開展示.綜上所述，在做這種含有射線的實驗時，學生往往處于恐懼之中，擔心會有危險，抗拒親自去嘗試，只把它當成神圣的現(xiàn)象來觀賞.在這種情況下，教師只能帶領學生一起進入盲人摸象的游戲情境，通過已有的重力場中物體的運動來想象出微觀粒子的運動情況.然而，這種想象卻是有風險的，因為在微觀領域又經(jīng)常要忽略重力的影響，而只考慮電場對帶電粒子的作用，這就需要學生有較高的知識遷移能力.由于每位學生的已有經(jīng)驗不同，往往構建出各種各樣錯誤的模型，在建模中就產(chǎn)生了許多困難.基于上述原因，筆者自制了三個簡單的實驗，貫穿了本節(jié)課三個重要的知識點，即帶電粒子在電場中的加速、偏轉和示波管的原理.

2?自制帶電粒子在電場中的加速實驗演示裝置

帶電粒子在電場中的運動，很難用肉眼去觀察，因為α粒子、β粒子、灰塵、噴霧狀的油滴這些粒子實在是太小了.本實驗用帶電的金屬小球來模擬帶電粒子，用來演示帶電粒子在電場中的加速，克服了帶電粒子可視性不好這一難題.本實驗取材簡單，容易進行推廣.具體方案與操作如下：

2.1?材料準備

乒乓球1個、長玻璃管、錫紙1張、膠帶、導線2根、靜電起電機1個.

2.2?方案與操作

（1）將乒乓球用錫紙包好，搓圓.

（2）取一個兩端開口的玻璃管，將錫紙球放入其中.

（3）在玻璃管兩端的開口處封上錫紙，用膠帶固定，如圖1所示.

（4）將靜電起電機的兩個金屬小球與玻璃管兩端的錫紙相連.

（5）讓錫紙小球停放于玻璃管的一側，與錫紙接觸.手搖起電機，可觀察到錫紙小球迅速帶電，并向管的另一端加速運動，如圖2所示.

2.3?教學反思

（1）玻璃管的長度比較短時，錫紙球往復運動速度非?？欤瑢W生會被這一現(xiàn)象吸引，而對單程的加速運動印象不夠深刻.因此，該實驗的玻璃管最好設計成50cm左右的長度，這樣錫紙球運動路線更長，加速時間變長，方便學生觀察.

（2）提前拍攝實驗視頻，設置成慢放鏡頭，上課時放給學生看.這樣既可以增加實驗的可視性，也可以提升實驗效果.

（3）該實驗可以幫助學生建構模型，因此本實驗的充分利用是非常有必要的.在本實驗之后，應立刻結合示波管來構建加速模型.在理論推導之后，再結合本實驗對推導結果進行理解，以此來進一步加強對理論的認識.

3?自制帶電粒子在電場中的偏轉實驗演示裝置

在以往的教學中，帶電粒子在電場中偏轉這節(jié)課往往是采用理論講解，要類比物體在重力場中的平拋運動，由學生在頭腦中自己去構建這一模型.本實驗的難度在于觀察，如果用電子束去演示在電場中的偏轉，則必須使電子在封閉的真空中運動，這將使實驗的可視性受到限制.為了解決可視性難題，同樣將帶電粒子用錫紙乒乓球代替，用生活中常見的金屬板連接起電機來產(chǎn)生勻強電場.這種取材于生活中常見物品的自制實驗，大大降低了學生對物理問題的理解難度.具體方案與操作如下：

3.1?材料準備

金屬板2塊、塑料尺2把、泡沫塑料2塊、乒乓球1個、錫紙1塊、起電機1個.

3.2?方案與操作

（1）用錫紙將乒乓球包起來，搓圓，做成錫紙小球.

（2）按照圖3、圖4的方式將金屬板立起來.

（3）構建傾斜軌道，將兩把塑料尺并排放置，中間留個窄縫來形成小球運動的軌道，將塑料尺軌道的一端墊起來以讓小球能順利滾動下去.

（4）將兩塊金屬板與起電機的兩個金屬球相連，手搖起電機讓兩塊金屬板帶上異種電荷.

（5）用兩塊泡沫塑料作為絕緣鉗子，夾起錫紙小球，接觸一塊金屬板，使錫紙小球帶電.

（6）將錫紙小球放到塑料尺軌道上，小球滾動進入兩金屬板之間的勻強電場，運動的軌跡發(fā)生彎曲，可觀察到此時軌跡的彎曲方向.

（7）給錫紙小球放電后，將其與另一塊金屬板接觸后重復步驟（5），可觀察到小球的運動軌跡朝另一側彎曲.

3.3?教學反思

（1）本實驗可以通過拍攝慢放鏡頭來增加可視性.

（2）本實驗與示波管結合可以幫助學生構建帶電粒子在電場中偏轉的模型.

（3）本實驗可以幫助學生理解理論推導的結果.

4?用示波器觀察和分析聲音信號的方案與操作

在以往的教學中，在講完帶電粒子在電場中的加速和偏轉之后，就會直接引入示波管的原理.實際上，在學生還沒有了解示波器的用途的情況下，就開始講解示波管的原理，就會導致學生因缺乏感性認識而排斥理性認識，產(chǎn)生不可忽視的畏難情緒，教學效果大打折扣.筆者設計了一個簡單有趣的小實驗，既能讓學生發(fā)現(xiàn)示波器的用處，又能測量男生和女生聲音的頻率，還能收獲一種測量頻率的方法.更重要的是，可以激發(fā)學生學習示波管原理的學習興趣.

4.1?材料準備

示波器1臺，有線話筒1個，導線2根.

4.2?方案與操作

（1）打開示波器的電源，調節(jié)“Y軸衰減”至正弦∞，說明Y方向輸入的是機內自帶的50Hz的交流電.

（2）調節(jié)“掃描范圍旋鈕”到10的位置，調節(jié)“掃描微調旋鈕”，直至屏幕上出現(xiàn)一個完整的正弦圖像，則說明水平方向的掃描頻率也為50Hz;

（3）將“Y軸衰減”調到1位置，X掃描范圍旋鈕不變.

（4）將兩根導線分別連接“Y輸入”和“X輸入”或“接地”，另一頭分別夾住話筒線的兩極，如圖5、圖6所示.

（5）用話筒檢測男生和女生的聲音頻率.圖7為某男生的聲音，由于X方向掃描頻率為50赫茲，而在Y方向出現(xiàn)了5個完整的波，則說明Y方向輸入的頻

率為X方向掃描頻率的5倍，即250Hz，所以該男生的聲音頻率為250Hz.用同樣的方法，可以測出不同的聲音的頻率.

4.3?教學反思

（1）該實驗互動性好，寓教于樂，學生參與熱情高漲，能營造活躍的課堂氣氛.

（2）該實驗可視性好，是個很好的課堂演示實驗.

（3）該實驗幫助學生理解示波器呈現(xiàn)的波形是由帶電粒子在X、Y兩個方向的運動疊加而成的.當屏幕上出現(xiàn)n個完整波形，則說明Y方向掃描頻率是X方向掃描頻率的n倍.

5?結束語

一個實驗從構思，到設計，再到選取材料，制作成型，要經(jīng)過千百次的努力嘗試，實驗的效果卻經(jīng)常差強人意.面對種種困難，首先不氣餒，努力想辦法解決，尋找最佳方案.這個過程也是對學生進行嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態(tài)度教育的最好契機.要培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)，就必須讓學生了解真實物理情境和面對真實物理問題.這一切，學生原有的生活經(jīng)驗往往不夠，需要教師用實驗事實來作為補充.

（收稿日期：2019-12-13）