一種模擬電場線的新方法
——用高錳酸鉀描繪電場線

石曉明

(寧波外國語學(xué)校，浙江 寧波 315010)

高中階段靜電場的內(nèi)容是一個學(xué)習(xí)難點,其中一個主要原因是電場既無法像力被人為直接感知,也無法如磁場可以被小磁針的方向直觀地表現(xiàn)．

在靜電場教學(xué)中,我們考慮采用高錳酸鉀(KMnO4)作為媒介,在高壓作用下直接產(chǎn)生電場間的電場線模擬圖像．而這一過程也可以作為高中階段物理和化學(xué)跨學(xué)科教學(xué)研究的探索．

1 預(yù)備知識

(1) 學(xué)生已初步了解高錳酸鉀的特點(強氧化劑,紫紅色晶體,可溶于水);并對于電解液的配置和機理基本明晰．

(2) 學(xué)生明確帶電粒子在電場中將會受力并運動．

2 材料選擇

我們選擇高錳酸鉀的原因是其色彩鮮艷,非常便于觀察,且只需要極少量即可．同時,也是相對安全的化學(xué)試劑．實驗的一個難點是高錳酸鉀較容易溶于水,成為溶液后將無法肉眼觀察其中的高錳酸根離子運動,所以溶液的濃度將是關(guān)鍵．考慮到需要背景更好地呈現(xiàn)出顏色的變化,我們嘗試使用濾紙．另外,由于需要讓高錳酸根離子運動,我們考慮利用氯化鈉溶液(0.5%)．最后,實驗需要一個恒壓電源產(chǎn)生電場．

3 研究過程

在具體操作過程中,開始學(xué)生嘗試?yán)闷胀V紙進行實驗,將濾紙放于鹽水中,然而發(fā)現(xiàn)放入高錳酸鉀后立即成為溶液,無法呈現(xiàn)圖像．后續(xù)調(diào)整中,教師和學(xué)生一起考慮采用更為輕薄的咖啡濾紙浸潤氯化鈉溶液后進行實驗,這樣即保證了高錳酸鉀可以部分溶解于水中進而在電場作用下在濾紙上運動留下印跡,又不會完全成為溶液無法觀察．通過不斷嘗試,我們發(fā)現(xiàn)220 V以上的電壓可以產(chǎn)生明顯的效果(這個過程中,教師需要親自陪同學(xué)生進行實驗,防止觸電危險)．

3.1 具體裝置和操作如下(圖1-圖6)

圖1 直流高壓電(600 V)

圖2 氯化鈉浸潤后的咖啡濾紙放置于玻璃皿后接入電極

圖3 打開電源后，撒入高錳酸鉀微粒

圖4 10 s后，明顯看到在濾紙上有高錳酸根離子運動的紫紅色軌跡

圖5 20 s后，可以看到有更為明顯的紫紅色運動軌跡

圖6 30 s后，產(chǎn)生了明顯的類似于電場線的運動軌跡

3.2 實驗改進

考慮到實驗中高錳酸鉀非常容易溶解,我們研磨了更為細小的高錳酸鉀顆粒,并且利用兩根細針作為電源的正負極,30 s后可以獲得如圖7的圖像,此圖像和課堂上提到的等量異種點電荷電場線分布(圖8)已經(jīng)非常接近．

圖7

圖8

利用同樣的方式,我們還可以獲得直觀的點電荷的電場線分布模擬圖像(如圖9).

圖9

通過實驗,我們看到利用高錳酸鉀顆粒,我們可以非常好地模擬電場線的分布情況,這與我們在后面利用小磁針模擬磁感線非常類似．學(xué)生在這個研究過程中,即獲得了明顯的電場線分布模擬圖像,又利用了已學(xué)的化學(xué)知識,是一個非常精彩的探索過程．