帶電水滴在電磁場中偏轉(zhuǎn)的演示實驗

蘇翔

摘 要：高中物理選修3-1講授了帶電粒子在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)問題，觀察微觀粒子的軌跡通常需要專門的儀器設(shè)備，因此中學生初學這部分知識時會感到比較抽象難懂。筆者設(shè)計了演示實驗，讓紅色的帶電水滴通過電場、磁場，可以明顯地觀察到，帶電水滴在電場、磁場中受力，軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)。對學生理解帶電粒子在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)問題有很大幫助，在實際教學中也收到了很好的效果。

關(guān)鍵詞：帶電水滴；電場；磁場；偏轉(zhuǎn)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）11-0062-2

1 前 言

帶電粒子在電場中會受電場力，運動的帶電粒子在磁場中會受洛倫茲力，如果是電場和磁場的復合場，則運動的帶電粒子會同時受電場力和洛倫茲力的作用。由于電場、磁場看不見摸不著，學生對帶電粒子在其中的受力情況的理解就很困難，非常抽象。是中學物理教學中的重點和難點問題。

帶電粒子在電磁場中的運動問題十分重要，許多物理學家進行過深入研究，并取得了許多重要成果；在技術(shù)中獲得廣泛地應(yīng)用[1-2]。

筆者設(shè)計了演示實驗，讓紅色的帶電水滴通過電場、磁場，可以明顯地觀察到，帶電水滴在電場、磁場中受力，軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)[3-4]。對學生理解帶電粒子在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)問題有很大幫助。裝置示意圖和實物圖如圖1、2。

2 實驗器材

感應(yīng)起電機、平行板電容器、高壓導線（含鱷魚夾）、鐵架臺、強磁鐵、針管、紅墨水、水槽等。

3 方法原理

在水中插入一個電極，用高壓導線連接至感應(yīng)起電機的一個小球上，搖動手柄，可以使水帶上與之相連的小球相同性質(zhì)的電荷。同時，把平行板電容器兩極板與感應(yīng)起電機兩個小球分別相連，勻速搖動手柄，在兩極板間便可近似形成一個勻強電場。撤去平行板電容器，水平放置一對強磁鐵，可觀察帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。接下來，同時把一對強磁鐵與一對平行板電容器垂直放置，可以觀察到洛倫茲力和電場力的共同作用效果。

4 演示方法與效果

4.1 帶電粒子在電場中偏轉(zhuǎn)演示方法

1.將器材裝好， 使兩鋁板正對， 調(diào)節(jié)針管中的水滴正好從兩鋁板的正中間通過。

2.在液體中放入一根導線并和一鋁板接在起電機的同一個放電球上， 使其帶正電荷；另一鋁板接在起電機的另一個放電球上，使其帶負電荷。搖動起電機就可看到下落的水滴運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這是由于針管滴下的水滴帶正電荷，受到水平方向電場力作用的緣故。

3.將液體中放入一根導線并和一鋁板接在起電機的另一個放電球上，使其帶負電，可以觀察到帶電粒子向另一方向偏轉(zhuǎn)（如圖3）。

4.2 帶電粒子在磁場中偏轉(zhuǎn)演示方法

在水中放入一根導線接在起電機一個放電球上，在水滴滴下方向的兩側(cè)放入一對強磁鐵，可以觀察到帶電液滴發(fā)生偏轉(zhuǎn)（如圖4）。

4.3 帶電水滴在電場、磁場復合場中運動演示方法

將器材裝好， 使兩鋁板正對， 調(diào)節(jié)針管中的水滴正好從兩鋁板的正中間通過。在水中放入一根導線并和一鋁板接在起電機的同一個放電球上， 使其都帶正電荷；另一鋁板接在起電機的另一個放電球上， 并使其帶負電荷。將強磁鐵放在與電場垂直的方向適當位置，搖動起電機可以看到水滴的運動軌跡偏轉(zhuǎn)不明顯或不發(fā)生偏轉(zhuǎn)（如圖5）。

5 結(jié) 論

本裝置現(xiàn)象明顯，通過攝像頭將帶電粒子偏轉(zhuǎn)的影像傳輸?shù)酵队皟x上，學生觀察方便，非常直觀；本裝置可以非常好地演示不同電性的粒子在同一電場中的偏轉(zhuǎn)方向相反，證實了正電荷所受電場力與場強方向一致，負電荷所受電場力與場強方向相反；本裝置集成了電場和磁場的現(xiàn)象，可以培養(yǎng)學生電磁場統(tǒng)一的思想，有利于學生物理素養(yǎng)的提高；本裝置材料易得，造價低廉，可以在中學課堂普及。

編后記：帶電水滴在電磁場中偏轉(zhuǎn)的實驗是一個很好的演示實驗，對學生學習帶電粒子在電磁場中的運動問題有很大的幫助。物理教師教學中還應(yīng)該說明：應(yīng)該注意帶電水滴與微觀粒子有很大的區(qū)別。許多物理學家深入地研究過微觀帶電粒子在電磁場中的運動，取得了許多重要科研成果。例如：電子的發(fā)現(xiàn)（湯姆森，1897年）；α粒子的散射實驗（盧瑟福，1906年）；質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)；微觀粒子的波粒二像性……；在技術(shù)中獲得廣泛而重要的應(yīng)用（例如：陰極射線示波器；老式電視機的陰極射線顯像管；電子顯微鏡；重離子加速器……）。對于帶電液滴的研究有：密立根用油滴實驗確定了電子的荷質(zhì)比（密立根，1907年）；威爾孫云室用霧珠顯示微觀粒子運動的軌跡（威爾孫，1896年）；確定了雷雨云中云霧的帶電現(xiàn)象……[1-2]。

參考文獻：

[1]趙凱華，陳熙謀.新概念物理教程 電磁學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]郭奕林.物理學史[M].北京：清華大學出版社，1993.

[3]應(yīng)少華.帶電粒子在電場中偏轉(zhuǎn)演示實驗的新方法[J].物理通報，2000（12）：31.

[4]陳曉莉，宋藝華.多功能靜電學實驗裝置設(shè)計及其在教學中的應(yīng)用[J].西南師范大學學報（自然科學版），2014，39（1）：148-151.

（欄目編輯 王柏廬）endprint