电场加速器演示仪的制作与应用①

于 淼 傅友东 金 冬

(1. 江苏省高邮第一中学,江苏 扬州 225600;2. 江苏省高邮市临泽中学,江苏 扬州 225600)

1 引言

电场是客观存在的物质,看不见、摸不着,非常抽象,学生对电场的理解有一定的难度。电场会对其中的带电粒子产生力的作用,电场力会不会使带电粒子加速?[1]如果通过实验展示相应的现象,就可以很好地解决学生的困惑。有老师研究了带电粒子在电场中的偏转,[2-3]可在一定程度上促进学生的理解。为了更好地解决这类问题,笔者自制了直线电场和圆形电场加速器演示仪,用来演示带电粒子在电场中的加速现象,以加深学生对该知识的理解。

2 实验器材和实验过程

2.1 直线电场加速器

2.1.1 实验器材

如图1所示,直线电场加速器由感应起电机、PVC管(长为50厘米、直径为5厘米、壁厚为2毫米)、一面带胶的铜箔(长为2米)、铝箔球、导线等组成。先将PVC管用切割工具沿直径方向一分为二,取其中一份,将铜箔贴在PVC管上。将铜箔粘在PVC管的内壁,相邻铜箔间的距离为6厘米,且左侧三条铜箔是相连的。图2所示为PVC管的背面,这三条铜箔接到图2右侧标“-”的铜箔条上,图中标正、负极是为了确定铜箔的连接,同样也可以标负、正极,右侧三条铜箔也是相连的,这三条铜箔是接到图2左侧标“+”的铜箔条上。

图1

图2

2.1.2 实验过程

如图1所示,将直线电场加速器放到水平桌面上,可以将PVC管一端适当垫高,平衡掉铝箔球所受的摩擦力,用导线分别将直线电场加速器的正、负极连接到起电机的两个放电叉杆上,将铝箔球放到直线电场加速器垫高的一端的铜箔上,且紧靠铜箔的内侧,摇动感应起电机就会发现铝箔球开始向下运动。

如图3所示,当感应起电机起电后,铜箔1上就会带电(假设带正电),铝箔球与铜箔1接触就会被带上同种性质的正电荷,同种电荷相互排斥,铝箔球就会离开铜箔1,此时在铜箔1和铜箔2间(区域1)形成方向向右的电场,铝箔球在区域1所受电场力方向向右,就会向右加速运动;当运动到铜箔2时,铝箔球所带的正电被中和并带上负电并进入区域2,在区域2电场方向向左,带负电的铝箔球所受的电场力方向还是向右,铝箔球继续向右加速运动;由此类推,可知铝箔球在5个区域里所受的电场力都是向右,一直向右加速,这就是直线电场加速器的工作原理。

图3

2.2 圆形电场加速器

2.2.1 实验器材

如图4所示,圆形电场加速器由感应起电机、直径为20厘米的圆盘、长为1米的一面带胶的铜箔、铝箔球、导线等组成。将两条长为25厘米的铜箔粘在圆盘中间形成十字形状,再在圆盘壁上粘上4条10厘米长的铜箔,并在圆盘外壁粘上一圈铜箔,与这4条铜箔相连,相邻铜箔间的距离为7厘米。使十字形铜箔带正电,4条圆盘上的铜箔带负电。

图4

图5

2.2.2 实验过程

如图4所示,将圆形电场加速器放到水平桌面上,用导线分别将圆形电场加速器的正负极连接到感应起电机的两个放电叉杆上,将铝箔球放到圆形电场加速器任意一条铜箔上,摇动感应起电机就会发现铝箔球沿着圆盘做圆周运动。

如图6所示,当起电机起电后,铜箔1上就会带电(假设带正电),铝箔球与铜箔1接触就会被带上同种性质的正电荷,同种电荷相互排斥,铝箔球就会离开铜箔1(假设铝箔球整体在铜箔的右侧),此时在铜箔1和铜箔2间(区域1)形成顺时针方向的电场,铝箔球在区域1所受电场力向右,就会向右加速运动;当运动到铜箔2时,铝箔球所带的正电被中和并带上负电进入区域2,在区域2电场方向沿逆时针方向,带负电的铝箔球所受的电场力还是沿顺时针方向,铝箔球继续顺时针加速运动;由此类推,可知铝箔球在8个区域里所受的电场力都是沿顺时针方向,一直沿顺时针方向加速,这就是圆形电场加速器的工作原理。

图6

3 结语

利用自制的直线电场加速器和圆形电场加速器,可以很直观地演示铝箔球在电场力作用下的运动,通过理论分析和实验演示,可使学生对该知识点理解得更加透彻,为学习电场和电场力奠定基础。

实验的注意点:(1) 铝箔球质量要足够小;(2) 铜箔之间的距离不能太近,不然铜箔间就会放电;(3) 摇动感应起电机后如果铝箔球不运动,可以给它一个微扰,这样它就会运动起来。

实验的优点:(1) 可以将带电粒子放大化(利用铝箔球代替带电粒子),易于观察;(2) 实验器材容易制作,便于推广;(3) 实验易操作,实验现象明显;(4) 实验结论真实、可靠。