“帶電粒子在電場中加速運動”演示教具的制作

呂守明

摘 要：“帶電粒子在電場中加速運動”是高考考查的重點內容，課堂教學上只是利用圖示顯示電場對帶電粒子的加速原理，然而這種微觀物理現象看不見、摸不著，學生感覺非常抽象，影響了學生對這部分知識的深入理解.為了使微觀帶電粒子在電場中加速運動形象化、直觀化，給學生一個清晰的感性認識，制作了“帶電粒子在電場中加速運動”的演示教具，模擬物理現象，進一步發揮演示實驗在課堂教學中的重要作用.

關鍵詞：演示教具;帶電粒子;加速運動;平行板電場

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）15-0047-02

作者簡介：呂守明（1963-），男，黑龍江巴彥人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理教學.

1 教具的制作

1.1 帶電粒子的制作

將直徑約2mm的泡沫塑料顆粒（可以由泡沫顆粒獲得）100余粒倒入適量的墨汁中均勻攪拌，晾干后備用，這樣制成的表面涂有導電層的泡沫顆粒，既解決了粒子的帶電問題，又可以放電.

1.2 可改變間距的平行板電場的制作

設計直徑為6cm、高10cm的帶長尾夾的透明塑料圓柱形盒子，將厚約0.15mm的鍍鋅鐵皮用鐵剪刀剪成直徑約5.8cm的圓形共兩塊，并在其上焊接上兩個電極.將兩塊圓形鍍鋅鐵片，一塊固定在透明塑料圓柱形盒子的底端，作為固定的下極板;再將直徑約5.8cm的圓形鍍鋅鐵片通過螺釘與一直徑為0.8cm的塑料圓桿固定在一起，該塑料圓桿與透明塑料圓柱形盒子上蓋中心孔連接，且與孔緊密配合.塑料圓桿在力的作用下可以上下移動，以改變平行板電場兩板間的間距;當用手握住圓桿上下運動時平行板電場兩板間距就發生改變，形成可移動的上極板，同時在上極板上焊接上電極的引線，這樣就制成了可調節間距的平行板電場，實物圖如圖1所示.

1.3 高壓發生器的制作

高壓發生器如圖2所示.按照圖2連接好電路，其中在網上直接郵購實驗用40kV的高壓模塊，一般外形尺寸為直徑2.5cm、長10cm的圓柱形（價格15元左右），將4個5號電池盒用導線串聯起來，同時連接上一只按鈕開關S1，再按電路圖連接上雙擲開關S2，再將4節5號充電電池分別放入電池盒中以便對高壓模塊進行供電，高壓模塊的兩個輸出端分別再接上一根長約30cm的導線，上述高壓模塊、4節5號電池盒固定到一個立方體盒子里邊、兩只開關通過打孔固定到盒子的兩側，焊接好電路.

2 教具的功能及用法

2.1 模擬兩極板電壓越高粒子的速度越大的實驗現象

由圖3可知，理論上對特定的帶電粒子在電場中獲得的速度與兩板間的電壓有關，兩板間電壓越高粒子獲得的速度越大，但是一般很難從實驗上讓學生直接觀察到粒子被加速的實驗現象，本實驗裝置不但能讓學生直接觀察到粒子被加速的實驗現象，還能讓學生直接觀察到電壓越高粒子獲得的速度越大的實驗現象.

具體操作過程如下：按照可調間距高壓發生器電路圖（如圖2），先把開關S撥到2，按下開關S1觀察帶電顆粒在兩極間的運動速度，放開開關S1，帶電顆粒在兩極間停止運動，再把開關S撥到1后，即提高輸出電壓，再按下開關S1觀察帶電粒子在兩極間的運動速度，觀察發現第二次實驗中顆粒在兩板間運動速度明顯增大，實驗定性地說明了在電場中兩板間電壓越高帶電粒子所獲得的速度越大.

2.2 觀察兩板間所加電壓不變時板間距越小電場力越大的實驗現象

可參看可變間距平行板電場的實物圖，先將間距調到10cm左右，將高壓發生器的開關S撥到2，按下開關S1發現下面的帶電粒子不動，將兩板間距逐漸減小到某一較小數值時就發現下面的一些帶電粒子開始先向上加速運動，撞到上極板后再向下加速運動，其基本原理是若下極板帶負電，靜止在下極板的粒子也就帶上負電，其同時受到向下的重力和向上的電場力作用，當電場力大于重力時，帶電粒子就開始向上加速運動，粒子撞到上極板瞬間放出負電又帶上正電荷，這樣帶電粒子又受方向均向下電場力和重力作用而向下加速運動，當帶電粒子撞到下極板瞬間帶上負電，所受電場力方向又變為向上且大于重力再向上加速運動，此后循環往復;板間距越小參與上下運動的粒子越多，說明同一個帶電粒子受電場力越大，這一實驗現象定性地說明了當兩板間電壓一定時，板間距越小，帶電粒子所受電場力越大.

3 教具的主要優點

（1）該實驗教具有微型化特點，便于在教室演示和實驗操作，原理清晰、可見度高.

（2）該實驗教具制作取材易得、結構簡單、組裝方便，便于教師使用.

（3）該實驗教具能將微觀現象宏觀化處理，可以讓學生深刻感受微觀物理現象與宏觀物理現象間存在密切聯系.

（4）若指導學生親自進行實驗操作，更有利于培養其科學的實驗探究精神和實驗動手操作技能.

（5）靜電實驗受空氣濕度影響很大，特別是在我國南方影響更大，但是筆者設計的教具在南方地區使用時性能也很穩定.

4 結束語

調查發現，教師使用該教具后，由于該實驗教具有微型化特點，使用過的教師都感覺操作很方便，課前基本不用調試，安全穩定可靠，攜帶也很方便，實驗現象非常明顯，老師們很喜歡使用它上課，教學效果很理想.學生使用該演示教具后，普遍感覺到該實驗直觀很有趣，對帶電粒子在電場中被加速的實驗現象在腦海里的印象清晰、深刻，對速度與電壓的關系、電場強度與板間距間的關系理解得比較透徹了.

對于教學，如果老師們都能集思廣益一起攜手參與制作出各類適用教具，大家共同交流使用，將會使我們的物理課堂更生動、更有趣、更有吸引力.充分發揮自制實驗教具對現有實驗器材的補充作用，讓更多的可靠、穩定、高效的自制實驗教具走進我們的課堂，走進我們的實驗室，會使學生對物理學科的學習更感興趣，也會使物理教師在提升物理課堂教學質量方面找到更多、更好的有效方法.

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（收稿日期：2021-05-26）