水槽式洛倫茲力演示儀

蔣金華,代 偉，杜 倩，王 漫

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

水槽式洛倫茲力演示儀

蔣金華,代 偉，杜 倩，王 漫

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

針對(duì)教材中洛倫茲力演示儀的不足，設(shè)計(jì)了水槽式洛倫茲力演示儀. 該演示儀通過觀察水槽中漂浮物運(yùn)動(dòng)情況判定洛倫茲力方向和大小，并探究洛倫茲力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、帶電粒子q以及其運(yùn)動(dòng)速度v之間的關(guān)系.

洛倫茲力；磁感應(yīng)強(qiáng)度；帶電粒子

目前，高中物理洛倫茲力教學(xué)中關(guān)于洛倫茲力方向的判斷多數(shù)選用陰極射線管來進(jìn)行探究，該設(shè)備較貴，由于工作電壓較高所以演示操作比較危險(xiǎn)，另外真空玻璃管也容易破碎. 洛倫茲力大小探究一般采用J24052洛倫茲力演示儀，該演示儀是通過觀察導(dǎo)電液體的流動(dòng)來定性探究演示洛倫茲力的大小和方向. 該儀器是通過液體的旋轉(zhuǎn)演示洛倫茲力，但是由于液體是在圓柱形水槽中旋轉(zhuǎn)，液體同時(shí)存在徑向和切向運(yùn)動(dòng)，方向觀察不清，不便研究磁場方向和洛倫茲力方向的關(guān)系. 為此對(duì)現(xiàn)有儀器的不足進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了水槽式洛倫茲力演示儀，可以簡便直觀地探究帶電離子洛倫茲力的大小和方向.

1 水槽式洛倫茲力演示儀

水槽式洛倫茲力演示儀如圖1所示，演示儀全部由有機(jī)玻璃板粘合而成，環(huán)形水槽的立板用有機(jī)玻璃條通過熱彎機(jī)彎成型后，用有機(jī)玻璃粘合劑將立板與底板粘在一起，構(gòu)成環(huán)形開口水槽. 整個(gè)儀器分為3部分：

(a)示意圖

(b)實(shí)物圖圖1 水槽式洛倫茲力演示儀

1)帶電離子，環(huán)形水槽用來盛裝硫酸鈉溶液，硫酸鈉溶液在電離時(shí)會(huì)產(chǎn)生帶電離子，演示時(shí)在溶液中放一小木球作為漂浮物，通過觀測木球的運(yùn)動(dòng)情況判斷洛倫茲力F的大小及方向.

2)電場，在環(huán)形水槽的一條邊上安裝電極，兩電極分別選用長條形碳棒和銅棒，并將其固定在一有機(jī)玻璃塊上，兩電極分別與直流電源的正負(fù)極相連，直流電源電壓可調(diào)，在其他條件一定的情況下改變電壓，導(dǎo)電液中離子在洛倫茲力的作用下運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)跟著發(fā)生改變，從而可以探究洛倫茲力F和離子運(yùn)動(dòng)速度v間的定量關(guān)系.

3)磁場，在環(huán)形水槽中電極的正下方放置可調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度的勵(lì)磁線圈，調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈中的電流就能改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B，可以探究在其他條件一定時(shí)，洛倫茲力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B間的定量關(guān)系.

2 演示儀操作步驟

1)將事先溶解的硫酸鈉溶液倒入環(huán)形水槽中(其溶液的高度約為水槽高度的1/2)，在溶液中放入小木球作為漂浮物.

2)給勵(lì)磁線圈通電，使其產(chǎn)生穩(wěn)定磁場，磁極方向始終保持豎直向上或向下.

3)將電極兩端接入電源，兩電極此時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣泡，硫酸鈉產(chǎn)生電離，電解質(zhì)溶液中的運(yùn)動(dòng)離子在磁場中受洛倫茲力作用，帶動(dòng)液體定向移動(dòng). 改變電極電壓大小，觀察并測量木球的運(yùn)動(dòng)速度，即可探究洛倫茲力F和離子速度間的關(guān)系. 保持電極兩端電壓一定，改變勵(lì)磁線圈的電流，觀察并測量木球的運(yùn)動(dòng)速度，則可定量探究洛倫茲力F和磁感應(yīng)強(qiáng)度B間的關(guān)系.

4)改變電極的電流方向或勵(lì)磁電流的方向可探究洛倫茲力F的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向、帶電粒子q的運(yùn)動(dòng)方向之間的關(guān)系.

3 儀器優(yōu)點(diǎn)

水槽式洛倫茲力演示儀有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)演示儀通過硫酸鈉溶液中離子的定向運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)液體流動(dòng)，通過觀察液面上小木球的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的快慢就可直觀判斷洛倫茲力方向和大小.

2)演示儀由有機(jī)玻璃制成，呈透明狀態(tài)，便于學(xué)生觀察.

3)改變?nèi)芤旱拿芏?，就可改變帶電離子的q值，改變電極電壓就可改變帶電離子的運(yùn)動(dòng)速度v，改變勵(lì)磁電流的大小就可改變B. 儀器操作簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象效果明顯.

4)水槽做成敞口，既有利于電極產(chǎn)生的氣體及時(shí)排出，也有利于加裝溶液和改變?nèi)芤旱拿芏?

5)電極安放在環(huán)形水槽的直線邊上，克服原有儀器液體同時(shí)存在徑向和切向運(yùn)動(dòng)的缺陷.

6)探究洛倫茲力F=qvB關(guān)系式時(shí)，可通過測量小木球的運(yùn)動(dòng)速度來定量探究F與q,v,B之間的關(guān)系，通過數(shù)據(jù)分析得出F=qvB關(guān)系.

4 結(jié)束語

洛倫茲力是高中新課程標(biāo)準(zhǔn)中的重要內(nèi)容，在高中物理教學(xué)中有著重要的地位. 改進(jìn)后的演示儀，對(duì)洛倫茲力關(guān)系式F=qvB中各物理量間的關(guān)系進(jìn)行定性和定量探究. 演示儀的制作材料取材于實(shí)際生活，所創(chuàng)設(shè)的物理情境給學(xué)生的感覺既新穎又親切，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，啟發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維.

[1] 趙林媛，代偉，馬蘭. 洛倫茲力演示儀[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2016,36(6):44-46.

[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單[J]. 中學(xué)物理(高中版),2012,30(1):35.

FlumetypeLorenzforcedemonstrator

JIANG Jin-hua, DAI Wei, DU Qian, WANG Man

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

Aiming at the deficiency of traditional Lorenz force demonstrator, flume type Lorenz force demonstrator was designed. The direction and strength of Lorenz force was judge by observing the flotage in the flume, and the relations between Lorenz force and magnetic field intensity, electronic charge and velocity were explored.

Lorenz force; magnetic field intensity; charged particle

G633.7

A

1005-4642(2017)10-0058-02

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

2017-06-18

四川省研究生教育改革創(chuàng)新項(xiàng)目(川學(xué)位[2014]1號(hào))

蔣金華(1992-)，男，四川廣安人，西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院2017級(jí)碩士研究生，研究方向?yàn)閷W(xué)科教育.

代 偉(1964-)，男，四川遂寧人，西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)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.