演示帶電粒子在電場中的運動的三個創(chuàng)新實驗

焦艷芳 孟繼飛

摘?要：帶電粒子在電場中的運動這節(jié)課，在傳統(tǒng)教學(xué)中往往注重理論推導(dǎo)，而忽略了學(xué)生感性認識不足帶來的理解困難.三個創(chuàng)新實驗，解決了微觀粒子的可視性不好且對實驗環(huán)境要求苛刻、取材困難等難題，增強了學(xué)生的感性認識，同時也幫助學(xué)生構(gòu)建物理模型，促進學(xué)生理論聯(lián)系實際.

關(guān)鍵詞：帶電粒子;電場;創(chuàng)新實驗

文章編號：1008-4134（2020）07-0053中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

作者簡介：焦艷芳（1983-），女，安徽安慶人，碩士，中學(xué)一級教師，研究方向：物理學(xué)科教學(xué);孟繼飛（1979-），男，黑龍江牡丹江人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：物理學(xué)科教學(xué).

1?實驗設(shè)計背景

2017年版普通高中物理課程標準中對“帶電粒子在電場中的運動”一課的要求是：能分析帶電粒子在電場中的運動情況，能解釋相關(guān)的物理現(xiàn)象.雖然課標并沒有對實驗提出要求，然而教師們在講解這節(jié)內(nèi)容時卻感覺非常困難.電場看不見也摸不著，帶電粒子又很難用肉眼直接觀察，人們必須要通過在密閉的玻璃罩中充入惰性氣體，?讓電子槍發(fā)出的電子經(jīng)過惰性氣體發(fā)出熒光，才能觀察電子的軌跡.由于設(shè)備高度的集成性，導(dǎo)致加速和偏轉(zhuǎn)的極板很難被觀察到，也無法拆開展示.綜上所述，在做這種含有射線的實驗時，學(xué)生往往處于恐懼之中，擔心會有危險，抗拒親自去嘗試，只把它當成神圣的現(xiàn)象來觀賞.在這種情況下，教師只能帶領(lǐng)學(xué)生一起進入盲人摸象的游戲情境，通過已有的重力場中物體的運動來想象出微觀粒子的運動情況.然而，這種想象卻是有風險的，因為在微觀領(lǐng)域又經(jīng)常要忽略重力的影響，而只考慮電場對帶電粒子的作用，這就需要學(xué)生有較高的知識遷移能力.由于每位學(xué)生的已有經(jīng)驗不同，往往構(gòu)建出各種各樣錯誤的模型，在建模中就產(chǎn)生了許多困難.基于上述原因，筆者自制了三個簡單的實驗，貫穿了本節(jié)課三個重要的知識點，即帶電粒子在電場中的加速、偏轉(zhuǎn)和示波管的原理.

2?自制帶電粒子在電場中的加速實驗演示裝置

帶電粒子在電場中的運動，很難用肉眼去觀察，因為α粒子、β粒子、灰塵、噴霧狀的油滴這些粒子實在是太小了.本實驗用帶電的金屬小球來模擬帶電粒子，用來演示帶電粒子在電場中的加速，克服了帶電粒子可視性不好這一難題.本實驗取材簡單，容易進行推廣.具體方案與操作如下：

2.1?材料準備

乒乓球1個、長玻璃管、錫紙1張、膠帶、導(dǎo)線2根、靜電起電機1個.

2.2?方案與操作

（1）將乒乓球用錫紙包好，搓圓.

（2）取一個兩端開口的玻璃管，將錫紙球放入其中.

（3）在玻璃管兩端的開口處封上錫紙，用膠帶固定，如圖1所示.

（4）將靜電起電機的兩個金屬小球與玻璃管兩端的錫紙相連.

（5）讓錫紙小球停放于玻璃管的一側(cè)，與錫紙接觸.手搖起電機，可觀察到錫紙小球迅速帶電，并向管的另一端加速運動，如圖2所示.

2.3?教學(xué)反思

（1）玻璃管的長度比較短時，錫紙球往復(fù)運動速度非常快，學(xué)生會被這一現(xiàn)象吸引，而對單程的加速運動印象不夠深刻.因此，該實驗的玻璃管最好設(shè)計成50cm左右的長度，這樣錫紙球運動路線更長，加速時間變長，方便學(xué)生觀察.

（2）提前拍攝實驗視頻，設(shè)置成慢放鏡頭，上課時放給學(xué)生看.這樣既可以增加實驗的可視性，也可以提升實驗效果.

（3）該實驗可以幫助學(xué)生建構(gòu)模型，因此本實驗的充分利用是非常有必要的.在本實驗之后，應(yīng)立刻結(jié)合示波管來構(gòu)建加速模型.在理論推導(dǎo)之后，再結(jié)合本實驗對推導(dǎo)結(jié)果進行理解，以此來進一步加強對理論的認識.

3?自制帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)實驗演示裝置

在以往的教學(xué)中，帶電粒子在電場中偏轉(zhuǎn)這節(jié)課往往是采用理論講解，要類比物體在重力場中的平拋運動，由學(xué)生在頭腦中自己去構(gòu)建這一模型.本實驗的難度在于觀察，如果用電子束去演示在電場中的偏轉(zhuǎn)，則必須使電子在封閉的真空中運動，這將使實驗的可視性受到限制.為了解決可視性難題，同樣將帶電粒子用錫紙乒乓球代替，用生活中常見的金屬板連接起電機來產(chǎn)生勻強電場.這種取材于生活中常見物品的自制實驗，大大降低了學(xué)生對物理問題的理解難度.具體方案與操作如下：

3.1?材料準備

金屬板2塊、塑料尺2把、泡沫塑料2塊、乒乓球1個、錫紙1塊、起電機1個.

3.2?方案與操作

（1）用錫紙將乒乓球包起來，搓圓，做成錫紙小球.

（2）按照圖3、圖4的方式將金屬板立起來.

（3）構(gòu)建傾斜軌道，將兩把塑料尺并排放置，中間留個窄縫來形成小球運動的軌道，將塑料尺軌道的一端墊起來以讓小球能順利滾動下去.

（4）將兩塊金屬板與起電機的兩個金屬球相連，手搖起電機讓兩塊金屬板帶上異種電荷.

（5）用兩塊泡沫塑料作為絕緣鉗子，夾起錫紙小球，接觸一塊金屬板，使錫紙小球帶電.

（6）將錫紙小球放到塑料尺軌道上，小球滾動進入兩金屬板之間的勻強電場，運動的軌跡發(fā)生彎曲，可觀察到此時軌跡的彎曲方向.

（7）給錫紙小球放電后，將其與另一塊金屬板接觸后重復(fù)步驟（5），可觀察到小球的運動軌跡朝另一側(cè)彎曲.

3.3?教學(xué)反思

（1）本實驗可以通過拍攝慢放鏡頭來增加可視性.

（2）本實驗與示波管結(jié)合可以幫助學(xué)生構(gòu)建帶電粒子在電場中偏轉(zhuǎn)的模型.

（3）本實驗可以幫助學(xué)生理解理論推導(dǎo)的結(jié)果.

4?用示波器觀察和分析聲音信號的方案與操作

在以往的教學(xué)中，在講完帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)之后，就會直接引入示波管的原理.實際上，在學(xué)生還沒有了解示波器的用途的情況下，就開始講解示波管的原理，就會導(dǎo)致學(xué)生因缺乏感性認識而排斥理性認識，產(chǎn)生不可忽視的畏難情緒，教學(xué)效果大打折扣.筆者設(shè)計了一個簡單有趣的小實驗，既能讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)示波器的用處，又能測量男生和女生聲音的頻率，還能收獲一種測量頻率的方法.更重要的是，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)示波管原理的學(xué)習(xí)興趣.

4.1?材料準備

示波器1臺，有線話筒1個，導(dǎo)線2根.

4.2?方案與操作

（1）打開示波器的電源，調(diào)節(jié)“Y軸衰減”至正弦∞，說明Y方向輸入的是機內(nèi)自帶的50Hz的交流電.

（2）調(diào)節(jié)“掃描范圍旋鈕”到10的位置，調(diào)節(jié)“掃描微調(diào)旋鈕”，直至屏幕上出現(xiàn)一個完整的正弦圖像，則說明水平方向的掃描頻率也為50Hz;

（3）將“Y軸衰減”調(diào)到1位置，X掃描范圍旋鈕不變.

（4）將兩根導(dǎo)線分別連接“Y輸入”和“X輸入”或“接地”，另一頭分別夾住話筒線的兩極，如圖5、圖6所示.

（5）用話筒檢測男生和女生的聲音頻率.圖7為某男生的聲音，由于X方向掃描頻率為50赫茲，而在Y方向出現(xiàn)了5個完整的波，則說明Y方向輸入的頻

率為X方向掃描頻率的5倍，即250Hz，所以該男生的聲音頻率為250Hz.用同樣的方法，可以測出不同的聲音的頻率.

4.3?教學(xué)反思

（1）該實驗互動性好，寓教于樂，學(xué)生參與熱情高漲，能營造活躍的課堂氣氛.

（2）該實驗可視性好，是個很好的課堂演示實驗.

（3）該實驗幫助學(xué)生理解示波器呈現(xiàn)的波形是由帶電粒子在X、Y兩個方向的運動疊加而成的.當屏幕上出現(xiàn)n個完整波形，則說明Y方向掃描頻率是X方向掃描頻率的n倍.

5?結(jié)束語

一個實驗從構(gòu)思，到設(shè)計，再到選取材料，制作成型，要經(jīng)過千百次的努力嘗試，實驗的效果卻經(jīng)常差強人意.面對種種困難，首先不氣餒，努力想辦法解決，尋找最佳方案.這個過程也是對學(xué)生進行嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度教育的最好契機.要培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，就必須讓學(xué)生了解真實物理情境和面對真實物理問題.這一切，學(xué)生原有的生活經(jīng)驗往往不夠，需要教師用實驗事實來作為補充.

（收稿日期：2019-12-13）