對人教版教材選修3—1“旋轉(zhuǎn)的液體”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

龔任寧 張洪明

高中物理選修3-1第93頁“做一做”有這樣一則有趣的實(shí)驗(yàn)，下面從實(shí)驗(yàn)的可視性、安全性、可操作性出發(fā)，討論該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn).如圖1.

一、實(shí)驗(yàn)材料的改進(jìn)

原實(shí)驗(yàn)器材存在問題改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)理由磁場蹄形磁鐵實(shí)驗(yàn)室的蹄形磁鐵較小，磁場較弱，會導(dǎo)致液體旋轉(zhuǎn)的不明顯，且蹄形磁鐵的形狀會阻擋視野.直徑為50 mm釹鐵硼圓柱形強(qiáng)磁鐵釹鐵硼圓柱形強(qiáng)磁鐵磁性很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，且液體上方?jīng)]有阻攔，方便觀察.電解液電解

食鹽水2NaCl+2H2O通電2NaOH+H2↑+Cl2↑

電解過程中溶液逐漸變黃，生成有毒的氯氣和強(qiáng)堿氫氧化鈉電解硫酸鈉溶液2H2O通電O2↑+2H2↑

失電子能力Cl->OH->SO2-4，所以在食鹽溶液中，氯離子在陽極失去電子，而在硫酸鈉溶液中，氫氧根離子在陽極失去電子.電解硫酸鈉的實(shí)質(zhì)是電解水，生成的是無毒的氫氣和氧氣.硫酸鈉還可用實(shí)驗(yàn)室常用的硫酸鉀，硝酸鉀代替.電極周圍圓環(huán)形電極為陽極，中間圓柱形電極為陰極圓環(huán)形電極一般用金屬絲繞制，電解溶液時(shí)，陽極失去電子，陰極得到電子，若金屬電極作陽極，金屬（鐵絲、銅絲）比溶液中的非金屬離子更易失去電子，導(dǎo)致圓環(huán)形電極溶化.金屬電極（銅絲繞制）作陰極，惰性電極（石墨）作陽極銅絲繞制的圓環(huán)形電極較易獲得，一般的銅絲表面有鍍膜，在繞制前先用砂紙打磨，銅電極作陰極，防止金屬電極被氧化.石墨電極可從廢棄的干電池中獲得.電源干電池干電池的內(nèi)阻較大，電流較小，現(xiàn)象不明顯學(xué)生電源學(xué)生電源電壓穩(wěn)定，并且可調(diào)節(jié).現(xiàn)象直接觀察液體旋轉(zhuǎn)液體透明，旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象不明顯在液體上灑上一層鉛筆芯屑液體的旋轉(zhuǎn)帶動鉛筆芯屑的旋轉(zhuǎn)，方便觀察.二、實(shí)驗(yàn)操作的改進(jìn)

1.磁場的改變：圓柱形強(qiáng)磁鐵通過翻轉(zhuǎn)即可改變磁場方向，通過遠(yuǎn)離或者靠近即可改變磁場的強(qiáng)弱，通過磁場的改變，定性研究電解液受到的安培力的大小和方向變化.

2.電流大小的改變：在電路中，串聯(lián)一個(gè)滑動變阻器和電流表，通過改變滑動變阻器的阻值改變電路中電流的大小，繼而通過觀察液體旋轉(zhuǎn)的速率研究電解液受到的安培力的大小.

三、實(shí)驗(yàn)操作的步驟

1 .實(shí)驗(yàn)器材：學(xué)生電源（1.5 A，6 V）、滑動變阻器（1.5 A，50 Ω）石墨電極，銅絲（圓環(huán)形電極），電流表，燒杯，硫酸鈉溶液，直徑為50 mm釹鐵硼圓柱形強(qiáng)磁鐵，導(dǎo)線若干，鉛筆芯屑少許連接電路如圖2.

2.實(shí)驗(yàn)原理（如圖3）：強(qiáng)電解質(zhì)溶液具有導(dǎo)電性，導(dǎo)電的溶液在磁場中會受到安培力（本質(zhì)是定向移動的離子受到洛倫茲力的作用）的作用，宏觀上表現(xiàn)為液體繞著圓柱形電極旋轉(zhuǎn).電流的大小決定了離子定向移動速率的大小，根據(jù) 可知，電流的大小或磁場強(qiáng)弱決定了安培力的大小，即液體旋轉(zhuǎn)的速率，磁場和電流的方向決定了安培力的方向，即液體旋轉(zhuǎn)的方向.

3.實(shí)驗(yàn)步驟

①配置一定濃度的硫酸鈉溶液，撒上鉛筆芯屑，繞制銅絲做成圓環(huán)形電極.

②按圖連接電路，滑動變阻器打到阻值最大處.

③接通電源，觀察液體旋轉(zhuǎn)的速度和方向.

④調(diào)節(jié)滑動變阻器阻值，觀察液體旋轉(zhuǎn)的速度.

⑤改變磁場方向，觀察液體旋轉(zhuǎn)的方向.

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論：導(dǎo)電液體在磁場中受到安培力（定向移動的離子在磁場中受到洛倫茲力）的作用，安培力（洛倫茲力）的方向與電流方向（正離子定向移動方向）有關(guān)，與磁場方向有關(guān)，符合“左手定則”.安培力（洛倫茲力）的大小與電流大?。x子定向移動的速率）有關(guān)，與磁場強(qiáng)弱有關(guān).

四、改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)液體實(shí)驗(yàn)具有如下優(yōu)點(diǎn)

（1）操作簡單，現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)器材容易獲得，鉛筆芯屑，石墨電極，銅絲，玻璃器皿都可源自生活中的材料.

（2）實(shí)驗(yàn)中電解水，生成安全無毒的產(chǎn)物，可以作為課后趣味實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生動手參與.或者作為課堂演示實(shí)驗(yàn)，用攝像頭將畫面投影至白板上.

（3）通過翻轉(zhuǎn)磁鐵，移動滑動變阻器滑片等操作，定性地研究安培力方向與電流，磁場的方向關(guān)系.

（4）該實(shí)驗(yàn)中電解液受到的安培力的實(shí)質(zhì)是溶液中定向移動的離子受到洛倫茲力的作用，宏觀上表現(xiàn)為液體受到安培力發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這為下節(jié)課《運(yùn)動電荷在磁場中受到的力》做了很好的鋪墊.

美中不足的是，圓環(huán)形電極必須用金屬絲繞制，為了避免金屬電極被氧化，圓環(huán)形電極只能做陰極，實(shí)驗(yàn)中不能通過改變電源接入的正負(fù)極改變電流的方向.若要改變電流的方向，可以更換電極的材料，只需將銅絲繞制的圓環(huán)形電極改為鉑絲繞制的圓環(huán)形電極即可，但是考慮到鉑絲在生活中不易獲得，且較貴.

【本文為寧波市2015年度教育技術(shù)研究規(guī)劃課題《基于傳感器的數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)實(shí)踐研究》課題成果之一，課題編號NBZ1505】