“带电粒子在电场中加速运动”演示教具的制作

吕守明

摘 要：“带电粒子在电场中加速运动”是高考考查的重点内容，课堂教学上只是利用图示显示电场对带电粒子的加速原理，然而这种微观物理现象看不见、摸不着，学生感觉非常抽象，影响了学生对这部分知识的深入理解.为了使微观带电粒子在电场中加速运动形象化、直观化，给学生一个清晰的感性认识，制作了“带电粒子在电场中加速运动”的演示教具，模拟物理现象，进一步发挥演示实验在课堂教学中的重要作用.

关键词：演示教具;带电粒子;加速运动;平行板电场

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）15-0047-02

作者简介：吕守明（1963-），男，黑龙江巴彦人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教学.

1 教具的制作

1.1 带电粒子的制作

将直径约2mm的泡沫塑料颗粒（可以由泡沫颗粒获得）100余粒倒入适量的墨汁中均匀搅拌，晾干后备用，这样制成的表面涂有导电层的泡沫颗粒，既解决了粒子的带电问题，又可以放电.

1.2 可改变间距的平行板电场的制作

设计直径为6cm、高10cm的带长尾夹的透明塑料圆柱形盒子，将厚约0.15mm的镀锌铁皮用铁剪刀剪成直径约5.8cm的圆形共两块，并在其上焊接上两个电极.将两块圆形镀锌铁片，一块固定在透明塑料圆柱形盒子的底端，作为固定的下极板;再将直径约5.8cm的圆形镀锌铁片通过螺钉与一直径为0.8cm的塑料圆杆固定在一起，该塑料圆杆与透明塑料圆柱形盒子上盖中心孔连接，且与孔紧密配合.塑料圆杆在力的作用下可以上下移动，以改变平行板电场两板间的间距;当用手握住圆杆上下运动时平行板电场两板间距就发生改变，形成可移动的上极板，同时在上极板上焊接上电极的引线，这样就制成了可调节间距的平行板电场，实物图如图1所示.

1.3 高压发生器的制作

高压发生器如图2所示.按照图2连接好电路，其中在网上直接邮购实验用40kV的高压模块，一般外形尺寸为直径2.5cm、长10cm的圆柱形（价格15元左右），将4个5号电池盒用导线串联起来，同时连接上一只按钮开关S1，再按电路图连接上双掷开关S2，再将4节5号充电电池分别放入电池盒中以便对高压模块进行供电，高压模块的两个输出端分别再接上一根长约30cm的导线，上述高压模块、4节5号电池盒固定到一个立方体盒子里边、两只开关通过打孔固定到盒子的两侧，焊接好电路.

2 教具的功能及用法

2.1 模拟两极板电压越高粒子的速度越大的实验现象

由图3可知，理论上对特定的带电粒子在电场中获得的速度与两板间的电压有关，两板间电压越高粒子获得的速度越大，但是一般很难从实验上让学生直接观察到粒子被加速的实验现象，本实验装置不但能让学生直接观察到粒子被加速的实验现象，还能让学生直接观察到电压越高粒子获得的速度越大的实验现象.

具体操作过程如下：按照可调间距高压发生器电路图（如图2），先把开关S拨到2，按下开关S1观察带电颗粒在两极间的运动速度，放开开关S1，带电颗粒在两极间停止运动，再把开关S拨到1后，即提高输出电压，再按下开关S1观察带电粒子在两极间的运动速度，观察发现第二次实验中颗粒在两板间运动速度明显增大，實验定性地说明了在电场中两板间电压越高带电粒子所获得的速度越大.

2.2 观察两板间所加电压不变时板间距越小电场力越大的实验现象

可参看可变间距平行板电场的实物图，先将间距调到10cm左右，将高压发生器的开关S拨到2，按下开关S1发现下面的带电粒子不动，将两板间距逐渐减小到某一较小数值时就发现下面的一些带电粒子开始先向上加速运动，撞到上极板后再向下加速运动，其基本原理是若下极板带负电，静止在下极板的粒子也就带上负电，其同时受到向下的重力和向上的电场力作用，当电场力大于重力时，带电粒子就开始向上加速运动，粒子撞到上极板瞬间放出负电又带上正电荷，这样带电粒子又受方向均向下电场力和重力作用而向下加速运动，当带电粒子撞到下极板瞬间带上负电，所受电场力方向又变为向上且大于重力再向上加速运动，此后循环往复;板间距越小参与上下运动的粒子越多，说明同一个带电粒子受电场力越大，这一实验现象定性地说明了当两板间电压一定时，板间距越小，带电粒子所受电场力越大.

3 教具的主要优点

（1）该实验教具有微型化特点，便于在教室演示和实验操作，原理清晰、可见度高.

（2）该实验教具制作取材易得、结构简单、组装方便，便于教师使用.

（3）该实验教具能将微观现象宏观化处理，可以让学生深刻感受微观物理现象与宏观物理现象间存在密切联系.

（4）若指导学生亲自进行实验操作，更有利于培养其科学的实验探究精神和实验动手操作技能.

（5）静电实验受空气湿度影响很大，特别是在我国南方影响更大，但是笔者设计的教具在南方地区使用时性能也很稳定.

4 结束语

调查发现，教师使用该教具后，由于该实验教具有微型化特点，使用过的教师都感觉操作很方便，课前基本不用调试，安全稳定可靠，携带也很方便，实验现象非常明显，老师们很喜欢使用它上课，教学效果很理想.学生使用该演示教具后，普遍感觉到该实验直观很有趣，对带电粒子在电场中被加速的实验现象在脑海里的印象清晰、深刻，对速度与电压的关系、电场强度与板间距间的关系理解得比较透彻了.

对于教学，如果老师们都能集思广益一起携手参与制作出各类适用教具，大家共同交流使用，将会使我们的物理课堂更生动、更有趣、更有吸引力.充分发挥自制实验教具对现有实验器材的补充作用，让更多的可靠、稳定、高效的自制实验教具走进我们的课堂，走进我们的实验室，会使学生对物理学科的学习更感兴趣，也会使物理教师在提升物理课堂教学质量方面找到更多、更好的有效方法.

参考文献：

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（收稿日期：2021-05-26）