辉光球又称为电离子魔幻球,它的外观为高强度玻璃球壳,球内充绚丽多彩,光芒四射,常被用于娱乐场所作为装饰之用,如图所示。辉光球工作时在球中央的电极周围形成一个类似于点电荷的场,利用它我们可以在《电场》教学中模拟静电场的许多性质。
【实验方法】
1. 将高频、高压电加在辉光球中心电极上,在很短的时间内可以把它当静电场处理。观察现象,它的电场有什么特点?
2. 如图所示,用手接触在玻璃壳上并在其上移动时,现象有什么特点,你能提出什么问题,怎样解释?
3. 取只一氖管,手拿其一端,另一端与魔幻球相靠近,如图7所示,操作中看到什么现象?说明什么问题?
4. 手持氖管沿球的径向球面移近,到达某一位置时再将氖泡在此处转过90O角(与径向垂直),操作中看到什么现象?说明什么问题?
5. 如果辉光球用金属网包住,再用试电笔重做上述实验,又会怎样呢? 如何解释?
6. 分别用书本、乒乓球拍、泡沫塑料板、铝板等隔在辉光球与手持的氖管之间,看看这些东西对电场有什么影响?看到什么现象?怎样解释?
【现象解释】
辉光球的底部有一块震荡电路板,通过电源变换器将12V低压直流电转变为高压高频电压加在电极上——中心是一个黑色球状电极,无穷远处(或周围接地物)是另一电极,极性随高频电压变化而变化。球内充有稀薄的惰性气体(如氩气等),通电后震荡电路产生高频电压电场,球壳内的稀薄气体分子被运动的带电粒子碰撞电离产生辉光现象,由于气体密集程度较小,所以辉光总体按电场线的路径显示,故所发生的光是一些辐射状的辉光,绚丽多彩,光芒四射。如图所示为手触球壳前后的电场线分布情况,不再均匀对称,那么为什么辉光线向手这一边转移?当手掌接触球壳一部分时,相当有一个电极从无穷远(周围接地物)移到球壳上,此时可以看成是两个电容并联,如图所示,电势差相等,电容大的其上的电荷量也越大,电荷密度也越大,电场也就越强,在球与手之间形成通路,故辉光在手指的周围处变得更为明亮,产生的弧线顺着手的触摸移动而游动扭曲,随手指移动起舞,好像存在一种“惯性”的记忆。
辉光球周围存在一个高压电场,把氖管靠近辉光球时,氖管两端有一个电压,两者中充有稀有气体,只需几十伏电压氖管里面的气体就会电离发光。所以当手持氖管沿球的径向球面移近,到达某一位置时氖泡发红光;当氖泡在此处转过90O角(与径向垂直)时,由于辉光球电场为球状辐射电场,氖管两端电压为零,气体不会电离发光,所以红光消失。改变氖泡的位置重做上述实验,看到的现象都是一致的,而且氖泡沿着径向距离球面越近发光越强。
插入接地的金属板,氖管不再发光,如果插入带绝缘柄的金属板和其他电介质板,氖管仍能起辉,说明它们在电场中被感应或极化,不能对电场起隔离的作用。
本实验按照“初感、浅探、深究”精心安排物理实验的每一个环节,合理设计思维进展的层次,充分挖掘认知过程的每一思维阶梯,给学生一定的思考时空。一个个演示令学生欢呼雀跃,在已知与未知的相互吸引与对接碰撞中,从而使学生的思维有序地发展。
“教学是一门艺术,它能产生一种迷人的力量”。物理教师可利用自己的教学智慧,设计出富有创意的物理实验,并敏锐的捕捉教育的最佳作用点和最佳作用时机,从而产生奇妙美丽、趣味新奇、惊险刺激、出人意料的物理现象,丰富学生情感,打造优质高效的物理课堂。
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