焦艷芳 孟繼飛

摘?要：帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)這節(jié)課，在傳統(tǒng)教學(xué)中往往注重理論推導(dǎo)，而忽略了學(xué)生感性認(rèn)識(shí)不足帶來的理解困難.三個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，解決了微觀粒子的可視性不好且對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求苛刻、取材困難等難題，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)也幫助學(xué)生構(gòu)建物理模型，促進(jìn)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際.

關(guān)鍵詞：帶電粒子;電場(chǎng);創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-4134（2020）07-0053中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：焦艷芳（1983-），女，安徽安慶人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：物理學(xué)科教學(xué);孟繼飛（1979-），男，黑龍江牡丹江人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：物理學(xué)科教學(xué).

1?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景

2017年版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”一課的要求是：能分析帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況，能解釋相關(guān)的物理現(xiàn)象.雖然課標(biāo)并沒有對(duì)實(shí)驗(yàn)提出要求，然而教師們?cè)谥v解這節(jié)內(nèi)容時(shí)卻感覺非常困難.電場(chǎng)看不見也摸不著，帶電粒子又很難用肉眼直接觀察，人們必須要通過在密閉的玻璃罩中充入惰性氣體，?讓電子槍發(fā)出的電子經(jīng)過惰性氣體發(fā)出熒光，才能觀察電子的軌跡.由于設(shè)備高度的集成性，導(dǎo)致加速和偏轉(zhuǎn)的極板很難被觀察到，也無法拆開展示.綜上所述，在做這種含有射線的實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生往往處于恐懼之中，擔(dān)心會(huì)有危險(xiǎn)，抗拒親自去嘗試，只把它當(dāng)成神圣的現(xiàn)象來觀賞.在這種情況下，教師只能帶領(lǐng)學(xué)生一起進(jìn)入盲人摸象的游戲情境，通過已有的重力場(chǎng)中物體的運(yùn)動(dòng)來想象出微觀粒子的運(yùn)動(dòng)情況.然而，這種想象卻是有風(fēng)險(xiǎn)的，因?yàn)樵谖⒂^領(lǐng)域又經(jīng)常要忽略重力的影響，而只考慮電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的作用，這就需要學(xué)生有較高的知識(shí)遷移能力.由于每位學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)不同，往往構(gòu)建出各種各樣錯(cuò)誤的模型，在建模中就產(chǎn)生了許多困難.基于上述原因，筆者自制了三個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，貫穿了本節(jié)課三個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)，即帶電粒子在電場(chǎng)中的加速、偏轉(zhuǎn)和示波管的原理.

2?自制帶電粒子在電場(chǎng)中的加速實(shí)驗(yàn)演示裝置

帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，很難用肉眼去觀察，因?yàn)棣亮Ｗ?、β粒子、灰塵、噴霧狀的油滴這些粒子實(shí)在是太小了.本實(shí)驗(yàn)用帶電的金屬小球來模擬帶電粒子，用來演示帶電粒子在電場(chǎng)中的加速，克服了帶電粒子可視性不好這一難題.本實(shí)驗(yàn)取材簡(jiǎn)單，容易進(jìn)行推廣.具體方案與操作如下：

2.1?材料準(zhǔn)備

乒乓球1個(gè)、長(zhǎng)玻璃管、錫紙1張、膠帶、導(dǎo)線2根、靜電起電機(jī)1個(gè).

2.2?方案與操作

（1）將乒乓球用錫紙包好，搓圓.

（2）取一個(gè)兩端開口的玻璃管，將錫紙球放入其中.

（3）在玻璃管兩端的開口處封上錫紙，用膠帶固定，如圖1所示.

（4）將靜電起電機(jī)的兩個(gè)金屬小球與玻璃管兩端的錫紙相連.

（5）讓錫紙小球停放于玻璃管的一側(cè)，與錫紙接觸.手搖起電機(jī)，可觀察到錫紙小球迅速帶電，并向管的另一端加速運(yùn)動(dòng)，如圖2所示.

2.3?教學(xué)反思

（1）玻璃管的長(zhǎng)度比較短時(shí)，錫紙球往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度非?？?，學(xué)生會(huì)被這一現(xiàn)象吸引，而對(duì)單程的加速運(yùn)動(dòng)印象不夠深刻.因此，該實(shí)驗(yàn)的玻璃管最好設(shè)計(jì)成50cm左右的長(zhǎng)度，這樣錫紙球運(yùn)動(dòng)路線更長(zhǎng)，加速時(shí)間變長(zhǎng)，方便學(xué)生觀察.

（2）提前拍攝實(shí)驗(yàn)視頻，設(shè)置成慢放鏡頭，上課時(shí)放給學(xué)生看.這樣既可以增加實(shí)驗(yàn)的可視性，也可以提升實(shí)驗(yàn)效果.

（3）該實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生建構(gòu)模型，因此本實(shí)驗(yàn)的充分利用是非常有必要的.在本實(shí)驗(yàn)之后，應(yīng)立刻結(jié)合示波管來構(gòu)建加速模型.在理論推導(dǎo)之后，再結(jié)合本實(shí)驗(yàn)對(duì)推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行理解，以此來進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)理論的認(rèn)識(shí).

3?自制帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)演示裝置

在以往的教學(xué)中，帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)這節(jié)課往往是采用理論講解，要類比物體在重力場(chǎng)中的平拋運(yùn)動(dòng)，由學(xué)生在頭腦中自己去構(gòu)建這一模型.本實(shí)驗(yàn)的難度在于觀察，如果用電子束去演示在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)，則必須使電子在封閉的真空中運(yùn)動(dòng)，這將使實(shí)驗(yàn)的可視性受到限制.為了解決可視性難題，同樣將帶電粒子用錫紙乒乓球代替，用生活中常見的金屬板連接起電機(jī)來產(chǎn)生勻強(qiáng)電場(chǎng).這種取材于生活中常見物品的自制實(shí)驗(yàn)，大大降低了學(xué)生對(duì)物理問題的理解難度.具體方案與操作如下：

3.1?材料準(zhǔn)備

金屬板2塊、塑料尺2把、泡沫塑料2塊、乒乓球1個(gè)、錫紙1塊、起電機(jī)1個(gè).

3.2?方案與操作

（1）用錫紙將乒乓球包起來，搓圓，做成錫紙小球.

（2）按照?qǐng)D3、圖4的方式將金屬板立起來.

（3）構(gòu)建傾斜軌道，將兩把塑料尺并排放置，中間留個(gè)窄縫來形成小球運(yùn)動(dòng)的軌道，將塑料尺軌道的一端墊起來以讓小球能順利滾動(dòng)下去.

（4）將兩塊金屬板與起電機(jī)的兩個(gè)金屬球相連，手搖起電機(jī)讓兩塊金屬板帶上異種電荷.

（5）用兩塊泡沫塑料作為絕緣鉗子，夾起錫紙小球，接觸一塊金屬板，使錫紙小球帶電.

（6）將錫紙小球放到塑料尺軌道上，小球滾動(dòng)進(jìn)入兩金屬板之間的勻強(qiáng)電場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)的軌跡發(fā)生彎曲，可觀察到此時(shí)軌跡的彎曲方向.

（7）給錫紙小球放電后，將其與另一塊金屬板接觸后重復(fù)步驟（5），可觀察到小球的運(yùn)動(dòng)軌跡朝另一側(cè)彎曲.

3.3?教學(xué)反思

（1）本實(shí)驗(yàn)可以通過拍攝慢放鏡頭來增加可視性.

（2）本實(shí)驗(yàn)與示波管結(jié)合可以幫助學(xué)生構(gòu)建帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的模型.

（3）本實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生理解理論推導(dǎo)的結(jié)果.

4?用示波器觀察和分析聲音信號(hào)的方案與操作

在以往的教學(xué)中，在講完帶電粒子在電場(chǎng)中的加速和偏轉(zhuǎn)之后，就會(huì)直接引入示波管的原理.實(shí)際上，在學(xué)生還沒有了解示波器的用途的情況下，就開始講解示波管的原理，就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生因缺乏感性認(rèn)識(shí)而排斥理性認(rèn)識(shí)，產(chǎn)生不可忽視的畏難情緒，教學(xué)效果大打折扣.筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單有趣的小實(shí)驗(yàn)，既能讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)示波器的用處，又能測(cè)量男生和女生聲音的頻率，還能收獲一種測(cè)量頻率的方法.更重要的是，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)示波管原理的學(xué)習(xí)興趣.

4.1?材料準(zhǔn)備

示波器1臺(tái)，有線話筒1個(gè)，導(dǎo)線2根.

4.2?方案與操作

（1）打開示波器的電源，調(diào)節(jié)“Y軸衰減”至正弦∞，說明Y方向輸入的是機(jī)內(nèi)自帶的50Hz的交流電.

（2）調(diào)節(jié)“掃描范圍旋鈕”到10的位置，調(diào)節(jié)“掃描微調(diào)旋鈕”，直至屏幕上出現(xiàn)一個(gè)完整的正弦圖像，則說明水平方向的掃描頻率也為50Hz;

（3）將“Y軸衰減”調(diào)到1位置，X掃描范圍旋鈕不變.

（4）將兩根導(dǎo)線分別連接“Y輸入”和“X輸入”或“接地”，另一頭分別夾住話筒線的兩極，如圖5、圖6所示.

（5）用話筒檢測(cè)男生和女生的聲音頻率.圖7為某男生的聲音，由于X方向掃描頻率為50赫茲，而在Y方向出現(xiàn)了5個(gè)完整的波，則說明Y方向輸入的頻

率為X方向掃描頻率的5倍，即250Hz，所以該男生的聲音頻率為250Hz.用同樣的方法，可以測(cè)出不同的聲音的頻率.

4.3?教學(xué)反思

（1）該實(shí)驗(yàn)互動(dòng)性好，寓教于樂，學(xué)生參與熱情高漲，能營(yíng)造活躍的課堂氣氛.

（2）該實(shí)驗(yàn)可視性好，是個(gè)很好的課堂演示實(shí)驗(yàn).

（3）該實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解示波器呈現(xiàn)的波形是由帶電粒子在X、Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)疊加而成的.當(dāng)屏幕上出現(xiàn)n個(gè)完整波形，則說明Y方向掃描頻率是X方向掃描頻率的n倍.

5?結(jié)束語(yǔ)

一個(gè)實(shí)驗(yàn)從構(gòu)思，到設(shè)計(jì)，再到選取材料，制作成型，要經(jīng)過千百次的努力嘗試，實(shí)驗(yàn)的效果卻經(jīng)常差強(qiáng)人意.面對(duì)種種困難，首先不氣餒，努力想辦法解決，尋找最佳方案.這個(gè)過程也是對(duì)學(xué)生進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度教育的最好契機(jī).要培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，就必須讓學(xué)生了解真實(shí)物理情境和面對(duì)真實(shí)物理問題.這一切，學(xué)生原有的生活經(jīng)驗(yàn)往往不夠，需要教師用實(shí)驗(yàn)事實(shí)來作為補(bǔ)充.

（收稿日期：2019-12-13）