带电粒子在匀强电场中运动的模拟演示，本文主要内容关键词为：粒子论文,场中论文,演示论文,强电论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“带电粒子在匀强电场中的运动”是高中物理中关于电学与力学的综合问题，是教学中的一个重点内容。但由于目前中学教材里没有直接显示该运动径迹变化的演示实验，所以也就成了一个教学难点。而用阴极射线管等仪器来演示，虽然可以看到阴极发出的电子射线在电场力作用下的偏转，但却无法看出电子如何在电场力作用下作直线加速运动。为此，笔者在实验教学中设计制作了带电粒子在匀强电场中运动的模拟演示实验装置。通过这一个演示实验，可以用肉眼观察到模拟的带电粒子在匀强电场中受到电场力作用时各种运动状态的变化情况。（注：本实验装置是笔者在2000年9 月参加第五届全国自制教具评选的“带电颗粒在匀强电场中运动演示装置”基础上重新改进制作的。）
一、实验原理
带电粒子在匀强电场中要受到电场力的作用，因此原来的运动速度和方向都会改变。原来静止的或沿着电场力方向运动的带电粒子会沿着电场力方向作直线加速运动；与电场力方向垂直运动的带电粒子会发生偏转。在本演示实验中，用两块圆形铝塑板与静电高压电源连接形成匀强电场，用带电的水滴模拟带电粒子。
二、实验材料与制作
1、取一个小塑料瓶，瓶口要尖小，如缝纫机油瓶，剪去其底部。再从一套吊瓶输液器上取下针头（7 号）到过滤器之间的这一段和控制滴液大小的开关，与塑料瓶口连接成一个可控水滴的装置，如图1（a）。从铝（铁）质饮料罐上剪下一条铝（铁）条，长等于小瓶高，宽约5毫米，一端连接一段40厘米的导线，导线的另一端连一个鳄鱼夹，如图1（b）。把铝（铁）条固定在塑料瓶内，装入水，可成为一个可控带电水滴的装置。
2、选用两块直径大于15厘米的铝塑板，刮除铝板一面的涂漆层，用木砂纸把面磨光，露出铝质。在两板圆心处打孔，在其中一板任一半径靠边缘的五分之一处刺一小孔，大小以恰好能插针头为宜。如图2。
3、支撑器材采用两个倒L型有机玻璃棒和底座，用来支撑两块圆形铝塑板。用一块木板（或有机玻璃板）作底座，“2分”的PVC电线导管作支杆做成一个支撑架（不能用铁架台），再用两个垂直夹、两个长柄木夹，可以支架起可控带电水滴的装置。如图3。
4、用J1210型高压发生器或J2310 型静电感应起电机作为静电高压发生源，把仪器的两个电极分别用绝缘性能强的导线与圆形铝塑板连接起来。
5、用有机玻璃制作一个8cm×20cm×2cm的水槽，用于接水。
三、操作步骤
（一）模拟带电粒子在匀强电场中沿电场力作直线加速运动
把两块铝塑板的距离置于15至20cm，在两板之间的下方放接水槽。把可控带电水滴装置的针头插在一块（负极）铝塑板上方的小孔内，使针头成水平状。在塑料瓶内倒入加了适量甘油的水。然后打开滴水开关，调节到每秒约两滴。如图4
打开高压发生器，逐步把电压升为5KV、10KV、15KV， 可以看到水滴从起初的自由下落变为偏斜向正极板加速运动的离散水滴，再逐步变为一条接近水平直线的急速水流（注意：这时不要再升高电压，因为过高的电压会使水滴中的水分子因同种电荷的斥力大于水滴的表面张力而分裂成更小的水滴，从而形成多条散开的水流冲向正极板，这样模拟失真。在水中加适量甘油也正是为此。）
通过反复调节高压发生器开关，对比观察水滴运动状况，可以明显地用肉眼看到模拟的带电粒子（带电水滴）在匀强电场中沿着电场力的作用方向作直线加速运动。如果配置适当角度的灯光，通过水滴流对灯光的反射和折射，那么可以清楚地看到亮晶晶的水滴运动状况。
（二）模拟带电粒子在匀强电场中作偏转运动
实验装置与图4基本相同， 不同的是把针头固定在两铝塑板之间上方的木夹上，并且把导线一端的铝条插入塑料瓶的水中。同样把水滴调节在每秒约二、三滴。
（1）与塑料瓶水中相连导线另一端的鳄鱼夹不接任何电极， 打开高压发生器至5KV或10KV， 观察到水滴穿过匀强电场后仍作自由下落运动，如图5（a）
（2）关上高压发生器，鳄鱼夹接到正电极一端， 然后打开高压发生器至5KV，瓶中水带正电荷，穿过匀强电场的水滴受电场力的作用， 运动轨迹偏向负极板，如图5（b）。
（3）关上高压发生器，鳄鱼夹接到负电极一端， 然后打开高压发生器至5KV，带负电荷的下落水滴穿过匀强电场时，运动轨迹偏向正极板，如图5（c）。
这样，我们就直观地模拟了与电场力方向垂直运动的带电粒子偏转现象。
上述模拟实验不但所用的材料及制作过程很简单，而且可以在任何天气的情况下进行，而不会象其它静电实验那样，一遇到空气湿度稍大就难以做成功。这对于我国南方的中学来说更有推广意义。
我们在教学中演示了该模拟实验，极大提高了学生对这部分知识的学习兴趣。原来看不到的电场力，看不见的带电粒子及其在匀强电场中的运动变化径迹，在这个实验里都得到了再现，形象生动，印象深刻，为学生解决这类物理问题时提供了直观想象的模型，从而为突破这个教学难点起了作用，取得了良好教学效果。
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