洛倫茲力演示儀

趙林媛，代　偉，馬　蘭

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637002)

洛倫茲力演示儀

趙林媛，代偉，馬蘭

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637002)

摘要：對(duì)新課標(biāo)中“洛倫茲力演示儀器”進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的裝置能夠探究洛倫茲力F與磁場(chǎng)B、帶電粒子q以及帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度v之間的關(guān)系，借助激光器能讓學(xué)生更好地看到帶電粒子所受洛倫茲力的情況、演示裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，演示效果好，能提高洛倫茲力的課堂教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.

關(guān)鍵詞：洛倫茲力;磁場(chǎng)；帶電粒子

在高中物理電磁學(xué)中洛倫茲力占據(jù)重要地位. 在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生容易將安培力與洛倫茲力之間的關(guān)系搞混淆，教師在講解時(shí)需要讓學(xué)生理解安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，要突出強(qiáng)調(diào)只有在導(dǎo)體靜止時(shí)洛倫茲力的合力才是導(dǎo)體所受安培力，因此學(xué)生對(duì)洛倫茲力的理解必須明確才能理清安培力與洛倫茲力之間的關(guān)系. 由于洛倫茲力比較抽象，所以演示洛倫茲力相關(guān)的實(shí)驗(yàn)演示儀器一直被大家重視. 洛倫茲力是磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的作用力，一般難以直接觀察. 過(guò)去一般采用陰極射線管結(jié)合磁場(chǎng)，利用電子射線的變化來(lái)驗(yàn)證洛倫茲力，但這樣只能演示帶電粒子在磁場(chǎng)中受力的作用，而不能定性證明洛倫茲力F與磁場(chǎng)B、帶電粒子q以及帶電粒子速度v之間的關(guān)系. 演示效果雖然明顯，但學(xué)生對(duì)影響洛倫茲力的相關(guān)因素理解卻不夠深刻. 為此作者對(duì)現(xiàn)有的洛倫茲力演示儀進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的儀器更適于洛倫茲力教學(xué)，也實(shí)現(xiàn)了新課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解“不僅要知其然，還要知其所以然”的教學(xué)目的.

1現(xiàn)有洛倫茲力演示儀

現(xiàn)階段高中物理中洛倫茲力教學(xué)一般用陰極射線管或圖1所示的J24052洛倫茲力演示儀進(jìn)行演示，該演示儀是通過(guò)觀察導(dǎo)電液的旋轉(zhuǎn)情況來(lái)演示帶電離子受到洛倫茲力的作用，該儀器結(jié)構(gòu)尺寸偏小，演示時(shí)儀器只能平放，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易觀察. 現(xiàn)已有的一些洛倫茲力演示儀器，如參考文獻(xiàn)[1]中所述的演示裝置，它相對(duì)于傳統(tǒng)陰極射線管進(jìn)行了改進(jìn)，使用的是長(zhǎng)條形的玻璃管，同時(shí)增加了演示平臺(tái)和內(nèi)置的控制盒，結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但在課堂演示過(guò)程中，學(xué)生的觀察注意力往往被電子束吸引，演示效果大打折扣.

圖1　J24052洛倫茲力演示儀

2洛倫茲力演示儀的改進(jìn)

針對(duì)現(xiàn)有洛倫茲力演示儀存在的不足，根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)洛倫茲力演示實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的洛倫茲力演示儀的結(jié)構(gòu)如圖2所示. 儀器有上下2個(gè)盛水槽，下水槽中安放一水泵，可將下水槽中的導(dǎo)電液抽到上水槽中，上水槽中安放了1根溢水管，通過(guò)改變溢水管的高度就可改變導(dǎo)電水流流出時(shí)的流速v. 在上水槽上還放置了1只紅色激光器，將激光器對(duì)準(zhǔn)出水管的中心，這樣從出水管流出的水流加上紅色激光更便于觀看，當(dāng)導(dǎo)電液在磁場(chǎng)中受到洛侖磁力時(shí)導(dǎo)光水流就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，紅色激光也將隨著水流偏轉(zhuǎn)，這樣就可看到一條紅色偏轉(zhuǎn)水流，從而很好地演示導(dǎo)電液受到洛侖磁力作用. 為了得到變化的磁場(chǎng)，儀器使用了2個(gè)對(duì)稱安裝的方形電磁線圈來(lái)建立磁場(chǎng)，這樣設(shè)計(jì)一是保證導(dǎo)電水流下落的區(qū)域磁場(chǎng)均勻，二是通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小可改變作用于導(dǎo)電水流的磁感應(yīng)強(qiáng)度B. 另外通過(guò)改變加到導(dǎo)電液中電流的大小或帶電液的濃度可改變導(dǎo)電液中帶電離子的數(shù)量從而改變q.

圖2　洛倫茲力演示儀

3演示儀的使用

首先將一定濃度的導(dǎo)電液倒入下水槽中，水深大約為下水槽高度的2/3，調(diào)節(jié)好上水槽溢水管的高度，然后開啟水泵將下水槽的帶電液抽到上水槽中，當(dāng)溢水管開始溢水時(shí)，從出水管流出的水流的流速v保持穩(wěn)定. 開啟激光器，將勵(lì)磁線圈通電，同時(shí)給上下溢水槽通電. 當(dāng)導(dǎo)電水流從出水管流出時(shí)會(huì)進(jìn)入勵(lì)磁線圈建立的磁場(chǎng)中，水中的帶電離子在磁場(chǎng)中就會(huì)受到洛侖茲力的作用，水流在該作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由于全反射紅色激光也隨著水流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，紅色激光也跟著水流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所以這時(shí)在儀器前方就會(huì)看到1條彎曲的紅色水流，從而證明運(yùn)動(dòng)的帶電離子在磁場(chǎng)中會(huì)受到洛侖磁力的作用. 增大勵(lì)磁電流會(huì)觀察到紅色水流偏轉(zhuǎn)角度增大，說(shuō)明磁場(chǎng)越強(qiáng)帶電離子所受洛侖茲力越大，改變勵(lì)磁電流的方向，紅色水流的偏轉(zhuǎn)方向也跟著改變，通過(guò)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明洛侖茲力與B的大小和方向有關(guān)；增大接入導(dǎo)電液的電流或增大導(dǎo)電液的濃度會(huì)觀察到紅色水流的偏轉(zhuǎn)角度也更大，該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明洛侖茲力的大小與q有關(guān)，q越大洛侖茲力就越大；調(diào)節(jié)溢水管的高度，溢水管越高水流的流速v就越大，這時(shí)可觀察到紅色水流偏轉(zhuǎn)更大，此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明洛侖茲力的大小與v有關(guān)，v越大洛侖茲力就越大.

4實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

改進(jìn)后的洛倫茲力演示儀有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)借助激光器觀察紅色的水流的偏轉(zhuǎn)角度來(lái)判斷洛侖茲力的大小和方向，演示效果明顯，觀察容易；

2)演示儀通過(guò)改變勵(lì)磁電流來(lái)改變B的大小和方向，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便；

3)通過(guò)改變導(dǎo)電液的濃度或接入導(dǎo)電液的電流大小來(lái)改變帶電離子的q值，方法簡(jiǎn)單效果好；

4)通過(guò)調(diào)節(jié)溢水管的高度來(lái)改變水流的流速進(jìn)而改變帶電離子的運(yùn)動(dòng)速度v，設(shè)計(jì)巧妙.

5結(jié)束語(yǔ)

中學(xué)物理中洛倫茲力演示是電磁學(xué)中重要的實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)的洛倫茲力演示儀能很好地演示洛侖茲力與B,v,q的關(guān)系，同時(shí)儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，操作簡(jiǎn)便，演示效果明顯，使學(xué)生能直觀地觀察到帶電離子所受的洛侖茲力. 另外該儀器的使用也能對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力提供一些啟示和幫助.

參考文獻(xiàn)：

[1]林衍斌，郭年粉，石東方. 新課標(biāo)下的高中物理探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué) [J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2008，28(3):23-25.

[2]周亮. 洛倫茲力宏觀演示儀的制作[J]. 中學(xué)物理(高中版),2011,29(5):25-26.

[3]劉庭華. 洛倫茲力宏觀演示儀的制作可以更簡(jiǎn)單[J]. 中學(xué)物理(高中版),2012,30(1):35.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Lorentz force demonstration instrument

ZHAO Lin-yuan, DAI Wei, MA Lan

(College of Physical and Spacial Science， China West Normal University, Nanchong 637002, China)

Abstract:The new curriculum standard “Lorentz force demonstrating instrument” was improved improved device can explore Lorentz force F and magnetic field B, Q of charged particles and charged particle velocity V between, with the aid of the laser can make students better to see Lorentz force of charged particles, instrument has the advantages of simple structure, convenient operation, good demonstration effect, to improve the teaching quality of Lorentz force, stimulates the student to interest in learning to help, is worthy to be popularized.

Key words:Lorenz force; magnetic field; charged particle

收稿日期：2016-01-18

基金項(xiàng)目：四川省研究生教育改革創(chuàng)新項(xiàng)目(No.445001)

作者簡(jiǎn)介：趙林媛(1993-)，女，四川茂縣人，西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院學(xué)科教育(物理)2015級(jí)碩士研究生，主要從事學(xué)科教育研究.

通信作者：代偉(1964-),男,四川遂寧人，西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院教授，學(xué)士，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究.

中圖分類號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)06-0044-03