多功能靜電加速器的設(shè)計與使用

多功能靜電加速器的設(shè)計與使用教師姓名：丁紅明馬秀英學(xué)校名稱：平湖市新華愛心高級中學(xué)浙江省平湖中學(xué)使用教材：2019人教版新教材【實驗器材】有機(jī)玻璃（直徑60cm的圓面、“”型有機(jī)玻璃軌道和直徑為50cm的圓環(huán)）、自粘鋁箔、石墨導(dǎo)電小球、直徑為70cm的鐵環(huán)、高壓直流電源、鉤碼若干、軟銅導(dǎo)線?！緦嶒炘O(shè)計思路】多功能靜電加速器是用同樣的器材，既可以實現(xiàn)帶電小球直線加速、又可以實現(xiàn)帶電小球圓形加速，用以模擬導(dǎo)電小球在電場作用下運(yùn)動。它的基本設(shè)計思想是八等分的圓，既可以看作圓軌道用于圓形加速，又可以通過裝置重組看作是直線軌道用于直線加速。圖圖1.多功能靜電加速器的基本組成甲：圓形結(jié)構(gòu)乙：直線結(jié)構(gòu)【實驗設(shè)計創(chuàng)新點】1.設(shè)計思想巧妙，用一種器材，變換組合后完成直線加速和圓形加速兩個經(jīng)典實驗。2.原理簡單明了，采用靜電加速，導(dǎo)電小球與鋁箔接觸后，變換電性，不斷加速。3.實驗效果明顯，從導(dǎo)電小球單個加速到多個加速，極具觀賞性?！緦嶒炘怼勘緦嶒灲叹卟捎玫闹绷麟娫?，利用接觸帶電，電量重新分配，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引的原理實現(xiàn)加速。圖圖3.直線加速原理圖2.直線加速器實物圖①直線加速器：如圖所示，八等分的有機(jī)玻璃板重新組合成如圖所示排列，用導(dǎo)線分別將上下四組鋁箔連接起來，上面四組鋁箔通過導(dǎo)線連接電源正極，下面四組鋁箔導(dǎo)線連接電源負(fù)極，將橫截面為“”型有機(jī)玻璃軌道置于八等分有機(jī)玻璃上，導(dǎo)電小球初始位置在有機(jī)玻璃軌道的最左端，接通電源后，小球帶電，在靜電力作用下，被相鄰的電極吸引，與電極接觸后，帶電小球電量被中和,然后電量重新分配，小球再次帶電，由于慣性與靜電力作用，如此循環(huán)下去，小球不斷被加速。圖圖5.圓形加速器示意圖圖4.圓形加速器實物圖②圓形加速器：如圖所示，將直線加速器的八塊半徑為30cm的扇形，重新組合拼成一個直徑為60cm的圓，組成圓形加速器的底座。在直徑為60cm的圓形玻璃板上放置一個有機(jī)玻璃圓環(huán)，組成環(huán)形軌道，用燕尾夾將交替的鋁箔和鐵環(huán)夾住，保持通路；用串有鉤碼的十字銅絲架交替置于鋁箔上，保持通路。將導(dǎo)電小球置于某一鋁箔上，開啟電源使相鄰的鋁箔帶異種電荷，相鄰鋁箔之間形成電場，導(dǎo)電小球與鋁箔帶同種電荷，受到電場力作用，加速“跑”向再下一個鋁箔，與鋁箔第二次接觸后，導(dǎo)電小球電性變換，繼續(xù)加速“跑”向下一個鋁箔，從而實現(xiàn)圓形加速。【實驗教學(xué)目標(biāo)】素養(yǎng)類別學(xué)習(xí)目標(biāo)物理觀念1.通過觀察多功能靜電加速器，知道儀器的設(shè)計思想。2.通過觀察帶電小球的加速運(yùn)動，樹立電場的物質(zhì)觀和能量觀。科學(xué)思維1.通過重組實驗器材，構(gòu)建帶電小球直線加速和圓形加速的物理模型。2.觀察儀器結(jié)構(gòu)，學(xué)會分析推理帶電小球的加速原理。3.通過靜電加速器學(xué)習(xí)，創(chuàng)新認(rèn)識加速器的工作原理。4.能對靜電加速器提出新的改進(jìn)方案?？茖W(xué)探究1.能結(jié)合教材與高考試題，提出靜電加速模型并設(shè)計相應(yīng)方案。2.能用所學(xué)知識，對小球的加速現(xiàn)象進(jìn)行解釋?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任1.通過靜電加速器的學(xué)習(xí)，認(rèn)識到物理學(xué)習(xí)是一項創(chuàng)造性的工作。2.通過練習(xí)使用靜電加速器，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。【實驗教學(xué)內(nèi)容】1.學(xué)會利用器材制作多功能靜電加速器。2.通過多功能靜電加速器的使用，能分析解釋其工作原理。3.提出多功能靜電加速器的改進(jìn)方案?！緦嶒灲虒W(xué)過程】（一）學(xué)會利用器材制作多功能靜電加速器1.將八等分的有機(jī)玻璃板上下組合，搭建直線加速模型。2.將串有鉤碼的銅導(dǎo)線分別置于上下兩組鋁箔，形成通路。3.將“”型有機(jī)玻璃軌道置于八等分有機(jī)玻璃上。4.將石墨導(dǎo)電小球置于第一個鋁箔上，接通高壓電源，觀察小球運(yùn)動情況。5.將兩個導(dǎo)電小球置于第一個鋁箔，重復(fù)前面操作，觀察雙球加速。6.將八等分的有機(jī)玻璃板重新組合，拼成圓形加速器底座，上面放置有機(jī)玻璃圓環(huán)，外面放置金屬鐵環(huán)。7.用串有鉤碼的十字銅絲架交叉置于鋁箔上，構(gòu)成通路；用燕尾夾將鋁箔和鐵環(huán)夾住，確保通路。8.將高壓電壓兩極分別連接鐵環(huán)和十字銅絲架，將石墨導(dǎo)電小球置于某一鋁箔上。9.開啟電源，觀察小球圓形加速情況。10.將更多小球輕輕丟進(jìn)圓形加速器，觀察多球小球加速情況。11.關(guān)閉學(xué)生電源，收拾整理儀器。（二）學(xué)會分析解釋多功能靜電加速器的工作原理1.觀察實驗裝置，畫出實驗電路圖。2.用物理語言規(guī)范表述其工作原理。（三）提出多功能靜電加速器的改進(jìn)方案1.根據(jù)實驗過程，哪些地方容易出現(xiàn)問題的，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案?！緦嶒炐Чu價】整個裝置結(jié)構(gòu)簡潔，有對稱美，操作方便，學(xué)生可以親自搭建兩類加速器，感受粒子加速，可以實現(xiàn)從單球直線加速到雙球直線加速，從單球圓形加速到多球圓形加速，實驗現(xiàn)象震撼，效果明顯，極具觀賞性。圖6.單球直線圖6.單球直線加速圖7.雙球直線加速圖8圖8.單球圓形加速圖9.多球圓形加速【效果影響因素的探討】1.鋁箔確定最初是考慮比較輕盈的鋁箔，通過雙面膠把它粘在有機(jī)玻璃上，而且輕質(zhì)鋁箔比較寬，目的是想讓導(dǎo)電小球能與鋁箔充分接觸。但實驗下來效果很差，小球幾乎不能加速，只在某一鋁箔條附近來回運(yùn)動，有時由于鋁箔不平整，小球無法順利通過。通過分析，我發(fā)現(xiàn)鋁箔的平整度和寬度對于實驗的效果影響很大。換用自粘鋁箔，同時把4cm寬的鋁箔剪成1.3cm寬，既確保充分接觸，又能讓小球依靠慣性沖出去，不至于返回，實驗效果明顯提升。2.導(dǎo)電小球的選擇最初使用的導(dǎo)電小球由泡沫小球外包錫箔組成，發(fā)現(xiàn)小球的穩(wěn)定性不是很好，由于小球表面不是很光滑，導(dǎo)致小球運(yùn)動時有跳躍性。我們后來換用靜電石墨小球后，效果明顯提升。3.十字銅絲的選擇最初模型中選用鋁箔連接相鄰的四個電極，發(fā)現(xiàn)鋁箔之間放電比較明顯，后來改用“硬銅絲+鉤碼”組成的“十字粗銅線”,總體效果不錯，但由于銅絲比較硬，稍有不注意，鉤碼與鋁箔之間就有可能無法充分接觸，最終選用“軟銅絲+鉤碼”組成“十字粗銅線”，依靠砝碼自身的重力作用，確?！笆执帚~線”能與鋁箔充分接觸。圖10硬銅絲的十字粗銅線圖11.軟銅絲的十字粗銅線4.導(dǎo)電小球的初始位置一開始沒有注意導(dǎo)電小球的初始位置，導(dǎo)致做直線加速實驗時有時向前加速，有時反而后退，效果不佳。經(jīng)過分析后，導(dǎo)電小球需放置在自粘鋁箔靠小球前進(jìn)方向的邊緣，這樣接通電源后，小球就能朝預(yù)期方向?qū)崿F(xiàn)直線加速。5.單球到多球的飛躍最初是一個