電場加速器演示儀的制作與應用①

于 淼 傅友東 金 冬

(1. 江蘇省高郵第一中學,江蘇 揚州 225600;2. 江蘇省高郵市臨澤中學,江蘇 揚州 225600)

1 引言

電場是客觀存在的物質,看不見、摸不著,非常抽象,學生對電場的理解有一定的難度。電場會對其中的帶電粒子產生力的作用,電場力會不會使帶電粒子加速?[1]如果通過實驗展示相應的現象,就可以很好地解決學生的困惑。有老師研究了帶電粒子在電場中的偏轉,[2-3]可在一定程度上促進學生的理解。為了更好地解決這類問題,筆者自制了直線電場和圓形電場加速器演示儀,用來演示帶電粒子在電場中的加速現象,以加深學生對該知識的理解。

2 實驗器材和實驗過程

2.1 直線電場加速器

2.1.1 實驗器材

如圖1所示,直線電場加速器由感應起電機、PVC管(長為50厘米、直徑為5厘米、壁厚為2毫米)、一面帶膠的銅箔(長為2米)、鋁箔球、導線等組成。先將PVC管用切割工具沿直徑方向一分為二,取其中一份,將銅箔貼在PVC管上。將銅箔粘在PVC管的內壁,相鄰銅箔間的距離為6厘米,且左側三條銅箔是相連的。圖2所示為PVC管的背面,這三條銅箔接到圖2右側標“-”的銅箔條上,圖中標正、負極是為了確定銅箔的連接,同樣也可以標負、正極,右側三條銅箔也是相連的,這三條銅箔是接到圖2左側標“+”的銅箔條上。

圖1

圖2

2.1.2 實驗過程

如圖1所示,將直線電場加速器放到水平桌面上,可以將PVC管一端適當墊高,平衡掉鋁箔球所受的摩擦力,用導線分別將直線電場加速器的正、負極連接到起電機的兩個放電叉桿上,將鋁箔球放到直線電場加速器墊高的一端的銅箔上,且緊靠銅箔的內側,搖動感應起電機就會發現鋁箔球開始向下運動。

如圖3所示,當感應起電機起電后,銅箔1上就會帶電(假設帶正電),鋁箔球與銅箔1接觸就會被帶上同種性質的正電荷,同種電荷相互排斥,鋁箔球就會離開銅箔1,此時在銅箔1和銅箔2間(區域1)形成方向向右的電場,鋁箔球在區域1所受電場力方向向右,就會向右加速運動;當運動到銅箔2時,鋁箔球所帶的正電被中和并帶上負電并進入區域2,在區域2電場方向向左,帶負電的鋁箔球所受的電場力方向還是向右,鋁箔球繼續向右加速運動;由此類推,可知鋁箔球在5個區域里所受的電場力都是向右,一直向右加速,這就是直線電場加速器的工作原理。

圖3

2.2 圓形電場加速器

2.2.1 實驗器材

如圖4所示,圓形電場加速器由感應起電機、直徑為20厘米的圓盤、長為1米的一面帶膠的銅箔、鋁箔球、導線等組成。將兩條長為25厘米的銅箔粘在圓盤中間形成十字形狀,再在圓盤壁上粘上4條10厘米長的銅箔,并在圓盤外壁粘上一圈銅箔,與這4條銅箔相連,相鄰銅箔間的距離為7厘米。使十字形銅箔帶正電,4條圓盤上的銅箔帶負電。

圖4

圖5

2.2.2 實驗過程

如圖4所示,將圓形電場加速器放到水平桌面上,用導線分別將圓形電場加速器的正負極連接到感應起電機的兩個放電叉桿上,將鋁箔球放到圓形電場加速器任意一條銅箔上,搖動感應起電機就會發現鋁箔球沿著圓盤做圓周運動。

如圖6所示,當起電機起電后,銅箔1上就會帶電(假設帶正電),鋁箔球與銅箔1接觸就會被帶上同種性質的正電荷,同種電荷相互排斥,鋁箔球就會離開銅箔1(假設鋁箔球整體在銅箔的右側),此時在銅箔1和銅箔2間(區域1)形成順時針方向的電場,鋁箔球在區域1所受電場力向右,就會向右加速運動;當運動到銅箔2時,鋁箔球所帶的正電被中和并帶上負電進入區域2,在區域2電場方向沿逆時針方向,帶負電的鋁箔球所受的電場力還是沿順時針方向,鋁箔球繼續順時針加速運動;由此類推,可知鋁箔球在8個區域里所受的電場力都是沿順時針方向,一直沿順時針方向加速,這就是圓形電場加速器的工作原理。

圖6

3 結語

利用自制的直線電場加速器和圓形電場加速器,可以很直觀地演示鋁箔球在電場力作用下的運動,通過理論分析和實驗演示,可使學生對該知識點理解得更加透徹,為學習電場和電場力奠定基礎。

實驗的注意點:(1) 鋁箔球質量要足夠小;(2) 銅箔之間的距離不能太近,不然銅箔間就會放電;(3) 搖動感應起電機后如果鋁箔球不運動,可以給它一個微擾,這樣它就會運動起來。

實驗的優點:(1) 可以將帶電粒子放大化(利用鋁箔球代替帶電粒子),易于觀察;(2) 實驗器材容易制作,便于推廣;(3) 實驗易操作,實驗現象明顯;(4) 實驗結論真實、可靠。