گالری فیلم فیزیک, آزمـایشـهـای شگفت انگیز فیبـیـسـت, علمی آموزشی, کارگاه فیزیک, مقالات آزاد فلسفه علم
بالا جهیدن گلوله های واندوگراف چند 1000 ولت
فروردین
بالا جهیدن گلوله‌های واندوگراف در حالت عادی کار راحتی نیست!
فهرست مطالب
مقدمه‌ای بر آزمایش واندوگراف
بالا جهیدن گلوله های واندوگراف یک آزمایش جذاب است. یکی از دشواری‌های علم، تفسیر پدیده‌های جدید با دانش قبلی است. بالا جهیدن گلوله‌های واندوگراف نمونه‌ای از آزمایش‌هایی است که ظاهر ساده‌اش، مفاهیم پیچیده‌ای از الکترواستاتیک را در دل خود دارد…بالا جهیدن گلوله های واندوگراف را می توانید با آزمایش های دیگری تجربه کنید.
واندوگراف چیست و چگونه کار می‌کند؟
واندوگراف دستگاهی است که بار الکتریکی را از طریق تسمه به کلاهکی فلزی منتقل می‌کند و در آنجا ذخیره می‌نماید. این بارها باعث تولید میدان الکتریکی قوی می‌شوند…
شرح آزمایش بالا جهیدن گلوله‌های واندوگراف
در این آزمایش مشهور، چند گلوله‌ی بسیار سبک (معمولاً از جنس فوم، استایروفوم یا کرک‌های فلزی سبک) درون یک لوله‌ی پلاستیکی شفاف قرار داده می‌شوند که از پایین به کلاهک دستگاه واندوگراف متصل است. پس از روشن شدن دستگاه، گلوله‌ها با سطح کلاهک تماس پیدا می‌کنند یا به آن نزدیک می‌شوند و به‌سرعت باردار می‌گردند. پس از باردار شدن، گلوله‌ها بر اثر نیروی دافعه الکترواستاتیکی از یکدیگر و از سطح کلاهک دور می‌شوند. نتیجه این پدیده، بالا رفتن سریع و گاه نوسانی گلوله‌ها درون لوله است.
نکته مهم آن است که این حرکت فقط تا زمانی ادامه دارد که شرایط میدان الکتریکی به اندازه‌ای باشد که بتواند وزن گلوله را جبران کند. اگر ارتفاع لوله کافی باشد، گلوله‌ها ممکن است تا نیمه یا انتهای آن بالا بروند و پس از مدتی به تعادل برسند یا دوباره سقوط کنند. مسیر این حرکت تابعی است از جرم گلوله، مقدار بار دریافت‌شده، شدت میدان الکتریکی، و اصطکاک هوا.بالا جهیدن گلوله های واندوگراف را با ولتاژهای کم نمی توان انجام داد. بالا جهیدن گلوله های واندوگراف را هرگز با برق شهری و برق های خطرناک انجام ندهید.
چرا گلوله‌ها بالا می‌روند؟
این پدیده در اصل ترکیبی از چند فرآیند فیزیکی است. اول اینکه گلوله‌ها هنگام تماس با سطح رسانای کلاهک یا از طریق القای الکترواستاتیکی، باردار می‌شوند. این بار اغلب از نوع بار انباشته‌شده در دستگاه است، مثلاً اگر واندوگراف بار مثبت تولید کند، گلوله‌ها نیز مثبت می‌شوند. طبق قانون کولن، بین بارهای همنام نیروی دافعه وجود دارد. بنابراین گلوله باردار از سطح کلاهک رانده می‌شود.
دوم، چون گلوله‌های سبک در مجاورت هم قرار دارند، نسبت به یکدیگر نیز دافعه نشان می‌دهند. این دافعه داخلی باعث می‌شود گلوله‌ها نه تنها از کلاهک فاصله بگیرند بلکه از یکدیگر هم دور شوند. در یک فضای محدود مانند لوله‌ی عمودی، این نیروی دافعه به حرکت‌های ناگهانی و بعضاً چرخشی گلوله‌ها منجر می‌شود.
در صورتی که بار الکتریکی کافی و جرم گلوله بسیار کم باشد، نیروی دافعه می‌تواند بر نیروی گرانش غلبه کند و گلوله را به سمت بالا پرتاب نماید. گلوله تا جایی بالا می‌رود که برآیند نیروهای وارد بر آن (دافعه، گرانش، و مقاومت هوا) برابر با صفر شود. این نقطه، نقطه‌ی تعادل لحظه‌ای یا پایدار گلوله خواهد بود. اما در عمل، تغییر بار گلوله‌ها و نوسان میدان باعث می‌شود این تعادل پایدار نباشد و گلوله در مسیری نوسانی بالا و پایین برود.بالا جهیدن گلوله های واندوگراف نشانه واضحی از برهمکنش نیروهای الکتریکی است.
علت سقوط گلوله‌ها پس از برخورد با درب فلزی
اگر در بالای لوله‌ی واندوگراف یک درب یا صفحه‌ی فلزی قرار گیرد، پدیده‌ای جدید رخ می‌دهد. وقتی گلوله به نزدیکی سطح فلزی می‌رسد، به دلایل زیر سقوط می‌کند:
- تخلیه بار الکتریکی: سطح فلزی رساناست و در مجاورت یک گلوله باردار، امکان انتقال یا تخلیه‌ی بار وجود دارد. به محض تماس یا حتی نزدیکی، بار گلوله به سطح فلز منتقل می‌شود. در این حالت گلوله خنثی یا با بار مخالف می‌شود و دیگر دافعه‌ای با میدان واندوگراف ندارد.
- اثر آینه‌ای: سطح فلز بارهای القایی با علامت مخالف ایجاد می‌کند که میدان الکتریکی حاصل از آن به‌جای دافعه، جذب‌کننده عمل می‌کند. یعنی گلوله به سمت فلز کشیده شده و سپس از دست میدان خارج می‌شود و سقوط می‌کند.
- تغییر در توزیع میدان: حضور یک سطح فلزی در بالای لوله، توزیع خطوط میدان الکتریکی را تغییر می‌دهد و باعث تضعیف اثر دافعه‌ی ناشی از واندوگراف می‌شود. در نتیجه گلوله از تعادل خارج شده و به پایین می‌افتد.
ترکیب این عوامل باعث می‌شود که گلوله‌ای که به ظاهر در حال صعود است، ناگهان سقوط کند. این پدیده در آموزش مفاهیم «میدان الکتریکی»، «القای الکتریکی» و «تخلیه‌ی بار» بسیار مؤثر و شهودی است.بالا جهیدن گلوله های واندوگراف به واسطه بارهای کم در حدود نانو و میکرو کولن است.
نگاه فلسفی و آموزشی به این پدیده
آزمایش بالا جهیدن گلوله‌های واندوگراف یک مثال درخشان از ترکیب تجربه‌ی عملی و تحلیل نظری است. در ظاهر، چند گلوله‌ی سبک به بالا می‌پرند و سقوط می‌کنند؛ اما در عمق، با مفاهیم بنیادین فیزیک الکتریسیته روبه‌رو هستیم. این آزمایش نه‌تنها پویایی نیروها را نشان می‌دهد، بلکه اهمیت دیدن رفتار سیستم‌ها در زمینه‌ای تعاملی را آموزش می‌دهد.
از منظر فلسفه‌ی علم، این پدیده یادآوری می‌کند که مشاهده‌ی دقیق، بسیار فراتر از ظاهر ساده‌ی اشیاء است. همچنین، آزمایش نشان می‌دهد که درک علمی گاهی نیازمند رها کردن فرضیات قبلی و بازنگری در نظریه‌هاست. مثلاً ممکن است دانش‌آموز انتظار داشته باشد که گلوله‌ها همیشه بالا بروند، ولی سقوط ناگهانی‌شان سؤال‌برانگیز می‌شود. همین پرسش، راهی به سوی تفکر انتقادی، پژوهش و یادگیری فعال باز می‌کند.بالا جهیدن گلوله های واندوگراف را می توانید نماد یک فعالیت خوب آموزش فیزیک بدانید.
در آموزش فیزیک، بهره‌گیری از چنین آزمایش‌هایی به ویژه در سنین مدرسه و دبیرستان، نقش مهمی در درونی‌سازی مفاهیم و تبدیل دانش نظری به شهود تجربی دارد. معلم می‌تواند با تغییر در شرایط آزمایش، مثل نوع گلوله، فاصله تا درب فلزی، یا شدت بار واندوگراف، نتایج مختلفی بگیرد و کلاس را به فضای کشف و پرسشگری تبدیل کند.