多功能静电加速器的设计与使用

多功能静电加速器的设计与使用教师姓名：丁红明马秀英学校名称：平湖市新华爱心高级中学浙江省平湖中学使用教材：2019人教版新教材【实验器材】有机玻璃（直径60cm的圆面、“”型有机玻璃轨道和直径为50cm的圆环）、自粘铝箔、石墨导电小球、直径为70cm的铁环、高压直流电源、钩码若干、软铜导线。【实验设计思路】多功能静电加速器是用同样的器材，既可以实现带电小球直线加速、又可以实现带电小球圆形加速，用以模拟导电小球在电场作用下运动。它的基本设计思想是八等分的圆，既可以看作圆轨道用于圆形加速，又可以通过装置重组看作是直线轨道用于直线加速。图图1.多功能静电加速器的基本组成甲：圆形结构乙：直线结构【实验设计创新点】1.设计思想巧妙，用一种器材，变换组合后完成直线加速和圆形加速两个经典实验。2.原理简单明了，采用静电加速，导电小球与铝箔接触后，变换电性，不断加速。3.实验效果明显，从导电小球单个加速到多个加速，极具观赏性。【实验原理】本实验教具采用的直流电源，利用接触带电，电量重新分配，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引的原理实现加速。图图3.直线加速原理图2.直线加速器实物图①直线加速器：如图所示，八等分的有机玻璃板重新组合成如图所示排列，用导线分别将上下四组铝箔连接起来，上面四组铝箔通过导线连接电源正极，下面四组铝箔导线连接电源负极，将横截面为“”型有机玻璃轨道置于八等分有机玻璃上，导电小球初始位置在有机玻璃轨道的最左端，接通电源后，小球带电，在静电力作用下，被相邻的电极吸引，与电极接触后，带电小球电量被中和,然后电量重新分配，小球再次带电，由于惯性与静电力作用，如此循环下去，小球不断被加速。图图5.圆形加速器示意图图4.圆形加速器实物图②圆形加速器：如图所示，将直线加速器的八块半径为30cm的扇形，重新组合拼成一个直径为60cm的圆，组成圆形加速器的底座。在直径为60cm的圆形玻璃板上放置一个有机玻璃圆环，组成环形轨道，用燕尾夹将交替的铝箔和铁环夹住，保持通路；用串有钩码的十字铜丝架交替置于铝箔上，保持通路。将导电小球置于某一铝箔上，开启电源使相邻的铝箔带异种电荷，相邻铝箔之间形成电场，导电小球与铝箔带同种电荷，受到电场力作用，加速“跑”向再下一个铝箔，与铝箔第二次接触后，导电小球电性变换，继续加速“跑”向下一个铝箔，从而实现圆形加速。【实验教学目标】素养类别学习目标物理观念1.通过观察多功能静电加速器，知道仪器的设计思想。2.通过观察带电小球的加速运动，树立电场的物质观和能量观。科学思维1.通过重组实验器材，构建带电小球直线加速和圆形加速的物理模型。2.观察仪器结构，学会分析推理带电小球的加速原理。3.通过静电加速器学习，创新认识加速器的工作原理。4.能对静电加速器提出新的改进方案。科学探究1.能结合教材与高考试题，提出静电加速模型并设计相应方案。2.能用所学知识，对小球的加速现象进行解释。科学态度与责任1.通过静电加速器的学习，认识到物理学习是一项创造性的工作。2.通过练习使用静电加速器，培养学生学习物理的兴趣。【实验教学内容】1.学会利用器材制作多功能静电加速器。2.通过多功能静电加速器的使用，能分析解释其工作原理。3.提出多功能静电加速器的改进方案。【实验教学过程】（一）学会利用器材制作多功能静电加速器1.将八等分的有机玻璃板上下组合，搭建直线加速模型。2.将串有钩码的铜导线分别置于上下两组铝箔，形成通路。3.将“”型有机玻璃轨道置于八等分有机玻璃上。4.将石墨导电小球置于第一个铝箔上，接通高压电源，观察小球运动情况。5.将两个导电小球置于第一个铝箔，重复前面操作，观察双球加速。6.将八等分的有机玻璃板重新组合，拼成圆形加速器底座，上面放置有机玻璃圆环，外面放置金属铁环。7.用串有钩码的十字铜丝架交叉置于铝箔上，构成通路；用燕尾夹将铝箔和铁环夹住，确保通路。8.将高压电压两极分别连接铁环和十字铜丝架，将石墨导电小球置于某一铝箔上。9.开启电源，观察小球圆形加速情况。10.将更多小球轻轻丢进圆形加速器，观察多球小球加速情况。11.关闭学生电源，收拾整理仪器。（二）学会分析解释多功能静电加速器的工作原理1.观察实验装置，画出实验电路图。2.用物理语言规范表述其工作原理。（三）提出多功能静电加速器的改进方案1.根据实验过程，哪些地方容易出现问题的，提出相应的改进方案。【实验效果评价】整个装置结构简洁，有对称美，操作方便，学生可以亲自搭建两类加速器，感受粒子加速，可以实现从单球直线加速到双球直线加速，从单球圆形加速到多球圆形加速，实验现象震撼，效果明显，极具观赏性。图6.单球直线图6.单球直线加速图7.双球直线加速图8图8.单球圆形加速图9.多球圆形加速【效果影响因素的探讨】1.铝箔确定最初是考虑比较轻盈的铝箔，通过双面胶把它粘在有机玻璃上，而且轻质铝箔比较宽，目的是想让导电小球能与铝箔充分接触。但实验下来效果很差，小球几乎不能加速，只在某一铝箔条附近来回运动，有时由于铝箔不平整，小球无法顺利通过。通过分析，我发现铝箔的平整度和宽度对于实验的效果影响很大。换用自粘铝箔，同时把4cm宽的铝箔剪成1.3cm宽，既确保充分接触，又能让小球依靠惯性冲出去，不至于返回，实验效果明显提升。2.导电小球的选择最初使用的导电小球由泡沫小球外包锡箔组成，发现小球的稳定性不是很好，由于小球表面不是很光滑，导致小球运动时有跳跃性。我们后来换用静电石墨小球后，效果明显提升。3.十字铜丝的选择最初模型中选用铝箔连接相邻的四个电极，发现铝箔之间放电比较明显，后来改用“硬铜丝+钩码”组成的“十字粗铜线”,总体效果不错，但由于铜丝比较硬，稍有不注意，钩码与铝箔之间就有可能无法充分接触，最终选用“软铜丝+钩码”组成“十字粗铜线”，依靠砝码自身的重力作用，确保“十字粗铜线”能与铝箔充分接触。图10硬铜丝的十字粗铜线图11.软铜丝的十字粗铜线4.导电小球的初始位置一开始没有注意导电小球的初始位置，导致做直线加速实验时有时向前加速，有时反而后退，效果不佳。经过分析后，导电小球需放置在自粘铝箔靠小球前进方向的边缘，这样接通电源后，小球就能朝预期方向实现直线加速。5.单球到多球的飞跃最初是一个