洛倫茲力可視化演示儀

肖凱龍，莊浩麗

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

洛倫茲力可視化演示儀

肖凱龍，莊浩麗

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

對(duì)傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)的液體”的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn). 實(shí)驗(yàn)裝置中水槽里的飽和食鹽水中的帶電粒子在徑向電場(chǎng)作用下獲得沿半徑方向的運(yùn)動(dòng)速度，此時(shí)在水槽下方加磁鐵，在的作用下，液體受到沿著同心圓切向方向的洛倫茲力作用旋轉(zhuǎn)起來(lái)，旋轉(zhuǎn)的液體帶動(dòng)自制的“木馬”旋轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)需投影直觀觀察液體的旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn).

洛倫茲力；旋轉(zhuǎn)液體；磁場(chǎng)；電場(chǎng)

洛倫茲力的微觀抽象性給學(xué)生帶來(lái)較大的認(rèn)知困難. 通過(guò)宏觀現(xiàn)象認(rèn)識(shí)微觀本質(zhì)是突破教學(xué)難點(diǎn)的有效手段. 但現(xiàn)有的洛倫茲力教具不能很好地演示出洛倫茲力的微觀本質(zhì)及其方向，而且價(jià)格較為昂貴. 基于此，筆者在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)出可探究洛倫茲力方向的教具，以增強(qiáng)洛倫茲力實(shí)驗(yàn)的演示效果.

1 實(shí)驗(yàn)裝置與原理

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示. 在水槽中倒入適量飽和食鹽水，溶液中的帶電離子便在徑向電場(chǎng)的作用下獲得沿半徑方向運(yùn)動(dòng)的速度. 此時(shí)，再把磁鐵推入水槽正下方，則原本沿徑向運(yùn)動(dòng)的帶電離子在磁場(chǎng)的作用下，受到沿著同心圓的切向方向的洛倫茲力，使液體旋轉(zhuǎn)起來(lái)，從而帶動(dòng)“木馬”的轉(zhuǎn)動(dòng).

圖1 水中旋轉(zhuǎn)木馬實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

1)用木板圍成八邊形的底座(也可圍成其他形狀，美觀即可)，其中兩面鏤空，方便存放電池與磁鐵. 再用PVC板剪裁1塊等大的八邊形的蓋子，中間挖出剛好能夠放置一次性塑料碗的圓孔.

2)將塑料碗剪掉適當(dāng)高度，作為水槽.

3)取5cm長(zhǎng)的2B鉛筆筆芯，穿出水槽中心底部約1cm，并用熱熔膠固定，作為中心電極；將鐵絲繞成比水槽周長(zhǎng)稍小的圓，作為外圍電極. 在中心電極頂端固定一塊插有繡花針的橡皮擦，以支撐“旋轉(zhuǎn)木馬”.

4)將4節(jié)1.5V的1號(hào)電池串聯(lián)后放入在底座內(nèi)(圖2)，其中電源的正負(fù)極分別接中心電極的筆芯或外圍電極的鐵絲.

5)取一次性紙杯，保留相互垂直的4條邊，每條邊的寬度約0.5cm，長(zhǎng)度以浸入液體不與水槽底部接觸為宜，剪去剩余部分. 在每條邊的底部垂直地插入大小相同的小銅片，以增加與液體切向受力的面積. 用紅色卡紙和泡沫粒進(jìn)行簡(jiǎn)單裝飾，即做成“旋轉(zhuǎn)木馬”(圖3).

圖2 裝置底座

圖3 旋轉(zhuǎn)木馬

6)取2塊直徑為4cm、厚0.5cm的釹鐵硼強(qiáng)磁，將其中一塊強(qiáng)磁的N極固定于立方體泡沫的一面，將另一塊強(qiáng)磁的S極固定于立方體泡沫的對(duì)立面，并分別用對(duì)應(yīng)的藍(lán)色或紅色卡紙包裝(圖4).

圖4 磁鐵安放

3 教學(xué)演示

1)演示前，電源的一端與中心電極連接，另一端與外圍電極斷開(kāi)，磁鐵藏于遠(yuǎn)離水槽底部且不讓學(xué)生看見(jiàn). 向水槽中倒入適量飽和食鹽水，將旋轉(zhuǎn)木馬平穩(wěn)地放在繡花針上.

2)將電源的另一端與外圍電極連接，此時(shí)木馬仍保持靜止. 然后將磁鐵推入水槽正下方，針尖上的木馬在液體的帶動(dòng)下突然從靜止旋轉(zhuǎn)起來(lái)，旋轉(zhuǎn)的方向可根據(jù)左手定則進(jìn)行判斷.

3)改變中心電極和外圍電極與電源的正負(fù)極的接法，可改變?nèi)芤褐姓?fù)離子的運(yùn)動(dòng)速度的方向；調(diào)轉(zhuǎn)磁鐵，可改變磁場(chǎng)的方向. 通過(guò)上述操作，可方便地探究洛倫茲力的方向.

通過(guò)對(duì)“旋轉(zhuǎn)的液體”的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行美化創(chuàng)新，該裝置既可以作為洛倫茲力的新課導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)，也可以作為探究洛倫茲力方向的實(shí)驗(yàn)裝置. 這種低成本的實(shí)驗(yàn)裝置既有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味引導(dǎo)，更能夠創(chuàng)設(shè)發(fā)散思維的情境，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的能力.

[1] 張玲. “旋轉(zhuǎn)液體”實(shí)驗(yàn)制作及改進(jìn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2017，37(2)：60.

[2] 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.

Lorentzforcevisualizationdemonstrator

XIAO Kai-long， ZHUANG Hao-li

(South China Normal University， Guangzhou 510006， China)

The traditional “rotating liquid” experimental device has been improved. The charged particles in the saturated salt water were radially accelerated with radial electric field. At the same time, a magnet was added under the sink, and the liquid was subjected to a tangential motion under the action of the Lorentz force, then rotating liquid drove the “Trojan” to rotate. The experiment phenomena could be observed directly without the help of projector.

Lorentz force; rotating liquid; magnetic field; electric field

G633.7

A

1005-4642(2017)10-0060-02

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

2017-08-15

肖凱龍(1993-),男，廣東廣州人，華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院2016級(jí)碩士研究生,研究方向?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)論.