“带电粒子在匀强电场中运动”演示装置

北京动力机械研究所 邓利强

一、问题的提出

电场是高中物理重要章节，老师每到讲解这部分知识时，适合中学课堂实际教学的演示实验装置很少，学生感觉非常抽象，无法理解，老师也觉得很难讲。如果有一种演示效果好的实验装置并结合理论知识的讲解将会加深这部分知识的理解。为此，研制了“带电粒子在匀强电场中的运动”教学演示装置，既使学生更充分理解掌握这部分知识，又提高了学生动手能力。

二、理论基础及研究思路

粒子我们用肉眼实际是无法看到的。因为粒子的质量非常小，要使能看到的实物小球在电场中运动，因要克服小球的重力需要很高的电源电压，对实验装置要求很高。目前见到的一些实验装置，为了克服重力对小球的影响，通常将小球用细绳吊起，做一些简单的实验。如用细绳吊起一小球，用电棒接触小球使小球带电，将小球放入电场中，小球发生偏转。但粒子在匀强电场中的运动实际上是没有约束的。如果要做一个实物无约束的小球在电场中加速、偏转实验，难度很大，对实验装置的要求会很高。

要实现带电小球在匀强电场中运动实验，首先要有一个匀强电场且电场的工作电压要根据实验要求能进行调整。由于电场的工作电压是高压，因此，对实验过程的可操作性、安全性要充分考虑。其次，如要具有良好的可视性，需选择可视的带电小球。小球如果选的太大、太重，对充电电压和电场产生作用力的要求会很高，装置设计难度会很大，成本会很高，没有实用性。如何设计出具有很好的可视性，同时制造成本低，安全性好的实验演示装置是制作的可行性标准。

三、实验装置的设计

（一）匀强电场的形成

使用两块不锈钢板平行放置，间隔距离为d。将一块板接地，一块板通上直流高压。这样，形成了匀强电场。通过调整间隔距离d和通电电压，达到调整偏转力的大小。

（二）充电电压的形成

要使小球在电场一定的情况下偏转到不同的距离，需要为小球提供不同的充电电压。因此充电电压大小设计成为可调节的。为了保证小球均匀充电，充电器内壁设计成近似抛物线形状，使小球沿抛物线形面滚下，采取接触充电方式使小球带上电荷。

（三）带电小球的选择

最先选择将锡箔纸撮成小球，小球很轻，有导电特性，但小球很难撮圆，一致性差，满足不了实验的要求。后来选择金属小球，如轴承用金属小球，小球很圆，一致性好，但通过实验发现，由于实芯小球质量重，放到上万伏的电场中也难以偏转。再后来，选择了一种塑料芯外部镀金属层的小球，小球即轻、又圆，一致性好，又有金属特性，可以充电，满足了实验要求。

（四）装置控制与操作

本装置采用单片机实现实验过程的控制。通过键盘操作和液晶显示实现人机对话界面设计。显示器上提示有操作的信息和显示当前实验工作参数。

（五）装置组成及主要功能

装置由主机，控制盒，回收器，支架，电缆，软件等组成。装置结构图见图1。

1.主机

主要由电路板、控制面板、机箱等组成。电路板形成了电场所需的工作电压，金属小球所需的充电电压可调。根据实验要求实现自动和手动调节电源电压、记时、报警等功能。控制面板上有键盘、液晶显示器，用于实现操作上人机对话，提高了装置的可操作性，安全性。

2.控制盒

控制盒是带电小球在匀强电场中运动的执行机构。主体采用金属外壳结构，里面有充电器、导轨、高压偏转板等。为了提高可视性，控制盒前面板使用透明有机玻璃板。在面板后面安装有照明灯，即使在光线较差条件下也能观测到小球的运动轨迹。

3.回收器

收集实验中落下的小球，使小球可再使用。

4.软件

将几个实验，编制成便于操作的程序，程序运行中显示有实验参数、计算公式等。

四、实验方法

本装置主机采用了单片机控制，提供了丰富硬件接口，可以满足多种实验要求。

（一）带电小球加速实验

在电场不通电的情况下，将小球置到电场的正极板上静止不动。运行带电小球加速程序。程序运行后，小球接触到电场正极板而带上正电荷。带电小球在电场中受到电场力的作用，产生加速运动。

（二）带电小球偏转实验

电场的工作电压和极板间的距离固定不变，因此电场强度一定。进入电场小球偏转情况主要取决于小球带电荷多少。

运行小球在电场中偏转程序，装置自动为电场加一固定电压值，使电场保持不变。为充电器加一设定电压。投放小球，通过按动前面板↑键（增加充电电压）或按动前面板↓键（减少充电电压），观测小球在电场中偏转情况，充电电压的当前值在显示器中显示。

五、效果及意义

本装置采用电场原理和力学原理，实现了无约束的实物小球在匀强电场中的偏转、加速的实物演示。

采用理论研究与实验装置相结合的方法，特别是通过实际生活应用实例的研究，加深了对电场学、力学方面知识点的理解。

本装置的研制成功，为今后进一步探讨将带电粒子在匀强电场中运动的教学与实践提供一种思路，装置在实际教学中也得到应用。