于 淼 傅友東 金 冬

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

1 引言

電場是客觀存在的物質(zhì),看不見、摸不著,非常抽象,學生對電場的理解有一定的難度。電場會對其中的帶電粒子產(chǎn)生力的作用,電場力會不會使帶電粒子加速?[1]如果通過實驗展示相應(yīng)的現(xiàn)象,就可以很好地解決學生的困惑。有老師研究了帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn),[2-3]可在一定程度上促進學生的理解。為了更好地解決這類問題,筆者自制了直線電場和圓形電場加速器演示儀,用來演示帶電粒子在電場中的加速現(xiàn)象,以加深學生對該知識的理解。

2 實驗器材和實驗過程

2.1 直線電場加速器

2.1.1 實驗器材

如圖1所示,直線電場加速器由感應(yīng)起電機、PVC管(長為50厘米、直徑為5厘米、壁厚為2毫米)、一面帶膠的銅箔(長為2米)、鋁箔球、導線等組成。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“-”的銅箔條上,圖中標正、負極是為了確定銅箔的連接,同樣也可以標負、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“+”的銅箔條上。

圖1

圖2

2.1.2 實驗過程

如圖1所示,將直線電場加速器放到水平桌面上,可以將PVC管一端適當墊高,平衡掉鋁箔球所受的摩擦力,用導線分別將直線電場加速器的正、負極連接到起電機的兩個放電叉桿上,將鋁箔球放到直線電場加速器墊高的一端的銅箔上,且緊靠銅箔的內(nèi)側(cè),搖動感應(yīng)起電機就會發(fā)現(xiàn)鋁箔球開始向下運動。

如圖3所示,當感應(yīng)起電機起電后,銅箔1上就會帶電(假設(shè)帶正電),鋁箔球與銅箔1接觸就會被帶上同種性質(zhì)的正電荷,同種電荷相互排斥,鋁箔球就會離開銅箔1,此時在銅箔1和銅箔2間(區(qū)域1)形成方向向右的電場,鋁箔球在區(qū)域1所受電場力方向向右,就會向右加速運動;當運動到銅箔2時,鋁箔球所帶的正電被中和并帶上負電并進入?yún)^(qū)域2,在區(qū)域2電場方向向左,帶負電的鋁箔球所受的電場力方向還是向右,鋁箔球繼續(xù)向右加速運動;由此類推,可知鋁箔球在5個區(qū)域里所受的電場力都是向右,一直向右加速,這就是直線電場加速器的工作原理。

圖3

2.2 圓形電場加速器

2.2.1 實驗器材

如圖4所示,圓形電場加速器由感應(yīng)起電機、直徑為20厘米的圓盤、長為1米的一面帶膠的銅箔、鋁箔球、導線等組成。將兩條長為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電。

圖4

圖5

2.2.2 實驗過程

如圖4所示,將圓形電場加速器放到水平桌面上,用導線分別將圓形電場加速器的正負極連接到感應(yīng)起電機的兩個放電叉桿上,將鋁箔球放到圓形電場加速器任意一條銅箔上,搖動感應(yīng)起電機就會發(fā)現(xiàn)鋁箔球沿著圓盤做圓周運動。

如圖6所示,當起電機起電后,銅箔1上就會帶電(假設(shè)帶正電),鋁箔球與銅箔1接觸就會被帶上同種性質(zhì)的正電荷,同種電荷相互排斥,鋁箔球就會離開銅箔1(假設(shè)鋁箔球整體在銅箔的右側(cè)),此時在銅箔1和銅箔2間(區(qū)域1)形成順時針方向的電場,鋁箔球在區(qū)域1所受電場力向右,就會向右加速運動;當運動到銅箔2時,鋁箔球所帶的正電被中和并帶上負電進入?yún)^(qū)域2,在區(qū)域2電場方向沿逆時針方向,帶負電的鋁箔球所受的電場力還是沿順時針方向,鋁箔球繼續(xù)順時針加速運動;由此類推,可知鋁箔球在8個區(qū)域里所受的電場力都是沿順時針方向,一直沿順時針方向加速,這就是圓形電場加速器的工作原理。

圖6

3 結(jié)語

利用自制的直線電場加速器和圓形電場加速器,可以很直觀地演示鋁箔球在電場力作用下的運動,通過理論分析和實驗演示,可使學生對該知識點理解得更加透徹,為學習電場和電場力奠定基礎(chǔ)。

實驗的注意點:(1) 鋁箔球質(zhì)量要足夠小;(2) 銅箔之間的距離不能太近,不然銅箔間就會放電;(3) 搖動感應(yīng)起電機后如果鋁箔球不運動,可以給它一個微擾,這樣它就會運動起來。

實驗的優(yōu)點:(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) 實驗器材容易制作,便于推廣;(3) 實驗易操作,實驗現(xiàn)象明顯;(4) 實驗結(jié)論真實、可靠。