演示带电粒子在电场中的运动的三个创新实验

焦艳芳 孟继飞

摘 要：带电粒子在电场中的运动这节课，在传统教学中往往注重理论推导，而忽略了学生感性认识不足带来的理解困难.三个创新实验，解决了微观粒子的可视性不好且对实验环境要求苛刻、取材困难等难题，增强了学生的感性认识，同时也帮助学生构建物理模型，促进学生理论联系实际.

关键词：带电粒子;电场;创新实验

文章编号：1008-4134（2020）07-0053中图分类号：G633.7文献标识码：B

作者简介：焦艳芳（1983-），女，安徽安庆人，硕士，中学一级教师，研究方向：物理学科教学;孟继飞（1979-），男，黑龙江牡丹江人，本科，中学一级教师，研究方向：物理学科教学.

1 实验设计背景

2017年版普通高中物理课程标准中对“带电粒子在电场中的运动”一课的要求是：能分析带电粒子在电场中的运动情况，能解释相关的物理现象.虽然课标并没有对实验提出要求，然而教师们在讲解这节内容时却感觉非常困难.电场看不见也摸不着，带电粒子又很难用肉眼直接观察，人们必须要通过在密闭的玻璃罩中充入惰性气体， 让电子枪发出的电子经过惰性气体发出荧光，才能观察电子的轨迹.由于设备高度的集成性，导致加速和偏转的极板很难被观察到，也无法拆开展示.综上所述，在做这种含有射线的实验时，学生往往处于恐惧之中，担心会有危险，抗拒亲自去尝试，只把它当成神圣的现象来观赏.在这种情况下，教师只能带领学生一起进入盲人摸象的游戏情境，通过已有的重力场中物体的运动来想象出微观粒子的运动情况.然而，这种想象却是有风险的，因为在微观领域又经常要忽略重力的影响，而只考虑电场对带电粒子的作用，这就需要学生有较高的知识迁移能力.由于每位学生的已有经验不同，往往构建出各种各样错误的模型，在建模中就产生了许多困难.基于上述原因，笔者自制了三个简单的实验，贯穿了本节课三个重要的知识点，即带电粒子在电场中的加速、偏转和示波管的原理.

2 自制带电粒子在电场中的加速实验演示装置

带电粒子在电场中的运动，很难用肉眼去观察，因为α粒子、β粒子、灰尘、喷雾状的油滴这些粒子实在是太小了.本实验用带电的金属小球来模拟带电粒子，用来演示带电粒子在电场中的加速，克服了带电粒子可视性不好这一难题.本实验取材简单，容易进行推广.具体方案与操作如下：

2.1 材料准备

乒乓球1个、长玻璃管、锡纸1张、胶带、导线2根、静电起电机1个.

2.2 方案与操作

（1）将乒乓球用锡纸包好，搓圆.

（2）取一个两端开口的玻璃管，将锡纸球放入其中.

（3）在玻璃管两端的开口处封上锡纸，用胶带固定，如图1所示.

（4）将静电起电机的两个金属小球与玻璃管两端的锡纸相连.

（5）让锡纸小球停放于玻璃管的一侧，与锡纸接触.手摇起电机，可观察到锡纸小球迅速带电，并向管的另一端加速运动，如图2所示.

2.3 教学反思

（1）玻璃管的长度比较短时，锡纸球往复运动速度非常快，学生会被这一现象吸引，而对单程的加速运动印象不够深刻.因此，该实验的玻璃管最好设计成50cm左右的长度，这样锡纸球运动路线更长，加速时间变长，方便学生观察.

（2）提前拍摄实验视频，设置成慢放镜头，上课时放给学生看.这样既可以增加实验的可视性，也可以提升实验效果.

（3）该实验可以帮助学生建构模型，因此本实验的充分利用是非常有必要的.在本实验之后，应立刻结合示波管来构建加速模型.在理论推导之后，再结合本实验对推导结果进行理解，以此来进一步加强对理论的认识.

3 自制带电粒子在电场中的偏转实验演示装置

在以往的教学中，带电粒子在电场中偏转这节课往往是采用理论讲解，要类比物体在重力场中的平抛运动，由学生在头脑中自己去构建这一模型.本实验的难度在于观察，如果用电子束去演示在电场中的偏转，则必须使电子在封闭的真空中运动，这将使实验的可视性受到限制.为了解决可视性难题，同样将带电粒子用锡纸乒乓球代替，用生活中常见的金属板连接起电机来产生匀强电场.这种取材于生活中常见物品的自制实验，大大降低了学生对物理问题的理解难度.具体方案与操作如下：

3.1 材料准备

金属板2块、塑料尺2把、泡沫塑料2块、乒乓球1個、锡纸1块、起电机1个.

3.2 方案与操作

（1）用锡纸将乒乓球包起来，搓圆，做成锡纸小球.

（2）按照图3、图4的方式将金属板立起来.

（3）构建倾斜轨道，将两把塑料尺并排放置，中间留个窄缝来形成小球运动的轨道，将塑料尺轨道的一端垫起来以让小球能顺利滚动下去.

（4）将两块金属板与起电机的两个金属球相连，手摇起电机让两块金属板带上异种电荷.

（5）用两块泡沫塑料作为绝缘钳子，夹起锡纸小球，接触一块金属板，使锡纸小球带电.

（6）将锡纸小球放到塑料尺轨道上，小球滚动进入两金属板之间的匀强电场，运动的轨迹发生弯曲，可观察到此时轨迹的弯曲方向.

（7）给锡纸小球放电后，将其与另一块金属板接触后重复步骤（5），可观察到小球的运动轨迹朝另一侧弯曲.

3.3 教学反思

（1）本实验可以通过拍摄慢放镜头来增加可视性.

（2）本实验与示波管结合可以帮助学生构建带电粒子在电场中偏转的模型.

（3）本实验可以帮助学生理解理论推导的结果.

4 用示波器观察和分析声音信号的方案与操作

在以往的教学中，在讲完带电粒子在电场中的加速和偏转之后，就会直接引入示波管的原理.实际上，在学生还没有了解示波器的用途的情况下，就开始讲解示波管的原理，就会导致学生因缺乏感性认识而排斥理性认识，产生不可忽视的畏难情绪，教学效果大打折扣.笔者设计了一个简单有趣的小实验，既能让学生发现示波器的用处，又能测量男生和女生声音的频率，还能收获一种测量频率的方法.更重要的是，可以激发学生学习示波管原理的学习兴趣.

4.1 材料准备

示波器1台，有线话筒1个，导线2根.

4.2 方案与操作

（1）打开示波器的电源，调节“Y轴衰减”至正弦∞，说明Y方向输入的是机内自带的50Hz的交流电.

（2）调节“扫描范围旋钮”到10的位置，调节“扫描微调旋钮”，直至屏幕上出现一个完整的正弦图像，则说明水平方向的扫描频率也为50Hz;

（3）将“Y轴衰减”调到1位置，X扫描范围旋钮不变.

（4）将两根导线分别连接“Y输入”和“X输入”或“接地”，另一头分别夹住话筒线的两极，如图5、图6所示.

（5）用话筒检测男生和女生的声音频率.图7为某男生的声音，由于X方向扫描频率为50赫兹，而在Y方向出现了5个完整的波，则说明Y方向输入的频

率为X方向扫描频率的5倍，即250Hz，所以该男生的声音频率为250Hz.用同样的方法，可以测出不同的声音的频率.

4.3 教学反思

（1）该实验互动性好，寓教于乐，学生参与热情高涨，能营造活跃的课堂气氛.

（2）该实验可视性好，是个很好的课堂演示实验.

（3）该实验帮助学生理解示波器呈现的波形是由带电粒子在X、Y两个方向的运动叠加而成的.当屏幕上出现n个完整波形，则说明Y方向扫描频率是X方向扫描频率的n倍.

5 结束语

一个实验从构思，到设计，再到选取材料，制作成型，要经过千百次的努力尝试，实验的效果却经常差强人意.面对种种困难，首先不气馁，努力想办法解决，寻找最佳方案.这个过程也是对学生进行严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度教育的最好契机.要培养学生的物理学科核心素养，就必须让学生了解真实物理情境和面对真实物理问题.这一切，学生原有的生活经验往往不够，需要教师用实验事实来作为补充.

（收稿日期：2019-12-13）