带电水滴在电磁场中偏转的演示实验

苏翔

摘 要：高中物理选修3-1讲授了带电粒子在电场和磁场中的偏转问题，观察微观粒子的轨迹通常需要专门的仪器设备，因此中学生初学这部分知识时会感到比较抽象难懂。笔者设计了演示实验，让红色的带电水滴通过电场、磁场，可以明显地观察到，带电水滴在电场、磁场中受力，轨迹发生偏转。对学生理解带电粒子在电场和磁场中的偏转问题有很大帮助，在实际教学中也收到了很好的效果。

关键词：带电水滴；电场；磁场；偏转

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）11-0062-2

1 前 言

带电粒子在电场中会受电场力，运动的带电粒子在磁场中会受洛伦兹力，如果是电场和磁场的复合场，则运动的带电粒子会同时受电场力和洛伦兹力的作用。由于电场、磁场看不见摸不着，学生对带电粒子在其中的受力情况的理解就很困难，非常抽象。是中学物理教学中的重点和难点问题。

带电粒子在电磁场中的运动问题十分重要，许多物理学家进行过深入研究，并取得了许多重要成果；在技术中获得广泛地应用[1-2]。

笔者设计了演示实验，让红色的带电水滴通过电场、磁场，可以明显地观察到，带电水滴在电场、磁场中受力，轨迹发生偏转[3-4]。对学生理解带电粒子在电场和磁场中的偏转问题有很大帮助。装置示意图和实物图如图1、2。

2 实验器材

感应起电机、平行板电容器、高压导线（含鳄鱼夹）、铁架台、强磁铁、针管、红墨水、水槽等。

3 方法原理

在水中插入一个电极，用高压导线连接至感应起电机的一个小球上，摇动手柄，可以使水带上与之相连的小球相同性质的电荷。同时，把平行板电容器两极板与感應起电机两个小球分别相连，匀速摇动手柄，在两极板间便可近似形成一个匀强电场。撤去平行板电容器，水平放置一对强磁铁，可观察带电粒子在磁场中的偏转现象。接下来，同时把一对强磁铁与一对平行板电容器垂直放置，可以观察到洛伦兹力和电场力的共同作用效果。

4 演示方法与效果

4.1 带电粒子在电场中偏转演示方法

1.将器材装好， 使两铝板正对， 调节针管中的水滴正好从两铝板的正中间通过。

2.在液体中放入一根导线并和一铝板接在起电机的同一个放电球上， 使其带正电荷；另一铝板接在起电机的另一个放电球上，使其带负电荷。摇动起电机就可看到下落的水滴运动轨迹发生偏转，这是由于针管滴下的水滴带正电荷，受到水平方向电场力作用的缘故。

3.将液体中放入一根导线并和一铝板接在起电机的另一个放电球上，使其带负电，可以观察到带电粒子向另一方向偏转（如图3）。

4.2 带电粒子在磁场中偏转演示方法

在水中放入一根导线接在起电机一个放电球上，在水滴滴下方向的两侧放入一对强磁铁，可以观察到带电液滴发生偏转（如图4）。

4.3 带电水滴在电场、磁场复合场中运动演示方法

将器材装好， 使两铝板正对， 调节针管中的水滴正好从两铝板的正中间通过。在水中放入一根导线并和一铝板接在起电机的同一个放电球上， 使其都带正电荷；另一铝板接在起电机的另一个放电球上， 并使其带负电荷。将强磁铁放在与电场垂直的方向适当位置，摇动起电机可以看到水滴的运动轨迹偏转不明显或不发生偏转（如图5）。

5 结 论

本装置现象明显，通过摄像头将带电粒子偏转的影像传输到投影仪上，学生观察方便，非常直观；本装置可以非常好地演示不同电性的粒子在同一电场中的偏转方向相反，证实了正电荷所受电场力与场强方向一致，负电荷所受电场力与场强方向相反；本装置集成了电场和磁场的现象，可以培养学生电磁场统一的思想，有利于学生物理素养的提高；本装置材料易得，造价低廉，可以在中学课堂普及。

编后记：带电水滴在电磁场中偏转的实验是一个很好的演示实验，对学生学习带电粒子在电磁场中的运动问题有很大的帮助。物理教师教学中还应该说明：应该注意带电水滴与微观粒子有很大的区别。许多物理学家深入地研究过微观带电粒子在电磁场中的运动，取得了许多重要科研成果。例如：电子的发现（汤姆森，1897年）；α粒子的散射实验（卢瑟福，1906年）；质子的发现；微观粒子的波粒二像性……；在技术中获得广泛而重要的应用（例如：阴极射线示波器；老式电视机的阴极射线显像管；电子显微镜；重离子加速器……）。对于带电液滴的研究有：密立根用油滴实验确定了电子的荷质比（密立根，1907年）；威尔孙云室用雾珠显示微观粒子运动的轨迹（威尔孙，1896年）；确定了雷雨云中云雾的带电现象……[1-2]。

参考文献：

[1]赵凯华，陈熙谋.新概念物理教程 电磁学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]郭奕林.物理学史[M].北京：清华大学出版社，1993.

[3]应少华.带电粒子在电场中偏转演示实验的新方法[J].物理通报，2000（12）：31.

[4]陈晓莉，宋艺华.多功能静电学实验装置设计及其在教学中的应用[J].西南师范大学学报（自然科学版），2014，39（1）：148-151.

（栏目编辑 王柏庐）endprint