洛侖茲力實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示儀的改進(jìn)

陳冀軒，成建群，林立燕

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 物理與光電工程學(xué)院，廣東 佛山 528000)

洛倫茲力是高中物理的重要內(nèi)容，常常也是學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)，若在教學(xué)時(shí)能進(jìn)行洛侖茲力的演示，會(huì)利于學(xué)生理解. 但現(xiàn)在市售的常規(guī)洛侖茲力演示儀價(jià)格普遍比較高. 目前所使用的洛侖茲力演示儀[1-4]只能驗(yàn)證洛侖茲力的存在，而無法定性地探究洛侖茲力f與帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度v、磁感應(yīng)強(qiáng)度B三者之間的關(guān)系，影響了課堂教學(xué)效果. 為了將微觀現(xiàn)象宏觀化，使用了類似“旋轉(zhuǎn)木馬的裝置”[5]，但該裝置制作復(fù)雜，不適合課堂教學(xué).

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)裝置的缺陷，在原有的洛侖茲力演示儀[6]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，不僅降低了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本，而且還可以直觀地看到粒子在受到洛侖茲力之后的運(yùn)動(dòng)變化過程，從而可以定性地探究洛侖茲力與其他物理量的關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)儀器介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

帶電粒子在磁場(chǎng)中做定向移動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直，就會(huì)受到洛侖茲力的作用，并且洛侖茲力的大小滿足

f=qvB.

(1)

1)自制的洛倫茲力實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示儀如圖1所示，實(shí)驗(yàn)前，先配置好一定濃度的Na2SO4溶液，然后倒入儀器當(dāng)中，并滴入少量的無色酚酞溶液.

圖1 自制洛倫茲力實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示儀圖

2)儀器中的圓形容器為電解槽，中心的銅柱為電解槽陰極，容器的四周用銅片繞制形成陽極，啟動(dòng)電解槽開關(guān)后，電解產(chǎn)生大量的OH-，這時(shí)OH-在電場(chǎng)力的作用下，開始向陽極做定向運(yùn)動(dòng)，溶液中的酚酞遇到OH-會(huì)變紅，且慢慢地向外擴(kuò)散.

3)在容器周圍繞制多層線圈，當(dāng)啟動(dòng)線圈開關(guān)時(shí)，線圈通入直流電，產(chǎn)生豎直方向垂直于粒子運(yùn)動(dòng)方向的磁場(chǎng)B，使得粒子(OH-)受到洛侖茲力的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，速度方向與粒子定向移動(dòng)方向相反，所以可以看到紅色溶液部分旋轉(zhuǎn)起來.

4)通過改變電流的方向可以改變磁場(chǎng)的方向，可以驗(yàn)證洛侖茲力的方向符合左手定則；同時(shí)可以通過改變可控變壓器的旋鈕，改變通入線圈和電解槽的電流大小，達(dá)到定性探究洛侖茲力影響因素的目的.

5)裝置可以使用投影儀將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象投影到屏幕上，讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀.

1.2 儀器的制作方法

1)外殼的制作. 外殼使用定制透明的亞克力板，包括外包圍的亞克力外殼和中心的圓柱形亞克力電解槽.

2)電解槽與電解電路的制作. 電解槽電路如圖2所示. 在圓柱形的電解槽中心鉆孔，將金屬長(zhǎng)螺釘從底部插入，插到底后上緊螺母，然后用熱熔膠將縫隙全部封緊，作為陰極，再用銅板繞圓環(huán)，貼緊電解槽內(nèi)壁，作為陽極.

圖2 電解槽電路圖

若產(chǎn)生明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，電解槽兩端應(yīng)當(dāng)施加至少30 V的直流電壓，實(shí)驗(yàn)使用了220 V AC轉(zhuǎn)36 V DC的直流變壓器對(duì)220 V電壓進(jìn)行降壓和整流，再輸入到電解槽. 其中，正極接電解槽的陽極，也就是圓環(huán)，陰極接螺釘，作為陰極.

現(xiàn)在大部分220 V交流轉(zhuǎn)直流的變壓器內(nèi)部都有調(diào)壓旋鈕，因此可不用額外購買直流調(diào)壓器，從而簡(jiǎn)化了儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本.

3)線圈與線圈電路的制作. 線圈電路圖如圖3所示，線圈使用0.3 mm的漆包線制作，在電解槽周圍密繞3 000～4 000匝即可. 而線圈通入的電流需要使用220 V AC轉(zhuǎn)110 V DC的變壓器. 此處用于監(jiān)控電流的電流表需要使用毫安表，因?yàn)榫€圈的阻抗較大. 如果想讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，可以直接接入市電，然后使用全橋整流之后直接輸入線圈.

圖3 線圈電路圖

4)磁場(chǎng)換向與電流換向電路. 完整的換向電路圖如圖4所示，使用2個(gè)雙刀雙擲開關(guān)即可完成換向，這里使用了TYPE 1322擺臂開關(guān)換向.

圖4 磁場(chǎng)與電流換向電路圖

2 實(shí)驗(yàn)步驟以及注意事項(xiàng)

1)把事先調(diào)配好的Na2SO4溶液倒入電解槽中，用溫水調(diào)配溶液，能讓溶液快速達(dá)到飽和并產(chǎn)生更多的離子. 特別需要注意的是，不能使用NaCl溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，否則會(huì)產(chǎn)生有毒的氯氣；其次需要控制電流在安全范圍之內(nèi)，溶液的濃度越高，越容易燒壞導(dǎo)線.

2)滴入酚酞后，啟動(dòng)電解槽，可以看到溶液從中心螺釘處慢慢開始變紅，然后向外擴(kuò)散(如圖5所示)，這是因?yàn)镹a2SO4溶液在電解時(shí)產(chǎn)生大量的OH-，讓溶液變紅；緊接著OH-在電場(chǎng)的作用下開始朝著陽極運(yùn)動(dòng)，因此可以看到紅色部分慢慢向外擴(kuò)散.

圖5 紅色區(qū)域不斷向外擴(kuò)散圖

3)啟動(dòng)磁場(chǎng)開關(guān)，可以觀察到溶液從向外擴(kuò)散時(shí)并伴隨繞中心旋轉(zhuǎn)，這是因?yàn)樵谑┘迂Q直磁場(chǎng)之后，定向移動(dòng)的OH-受到洛侖茲力的作用，而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此與上一步形成對(duì)比，證明洛侖茲力的存在.

4)增大電解槽的電壓，保持線圈電壓不變，可以觀察到，溶液旋轉(zhuǎn)的速度更快了，而電壓越大，粒子運(yùn)動(dòng)的速度就越快，因此可以證明粒子運(yùn)動(dòng)的速度和洛侖茲力的大小有關(guān). 粒子的運(yùn)動(dòng)速度越快，粒子受到的洛侖茲力就越大.

5)讓學(xué)生觀察溶液的旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)洛侖茲力和安培力的關(guān)系(洛侖茲力為安培力的實(shí)質(zhì))，提出“洛侖茲力的方向同樣符合左手定則”的猜想，并嘗試用左手定則判斷洛侖茲力的方向，從而判斷溶液的旋轉(zhuǎn)方向；然后更換溶液，再次實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，驗(yàn)證猜想是否正確，最終證明，洛侖茲力的方向和安培力符合左手定則.

6)增大線圈中通入的電流，保持電解槽的電壓不變，可以觀察到溶液旋轉(zhuǎn)速度增大，意味著洛侖茲力的大小也隨之增大. 因此可以證明，磁場(chǎng)大小同樣也會(huì)會(huì)影響洛侖茲力的大小.

3 結(jié)束語

改進(jìn)的洛倫茲力實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示儀價(jià)格低廉，使用簡(jiǎn)單，制作難度小，展示方便；還可以通過投影儀進(jìn)行投影，教學(xué)效果較好. 同時(shí)，它能將抽象的物理概念轉(zhuǎn)化為生動(dòng)的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，將抽象的洛侖茲力轉(zhuǎn)化為容易容易觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生獲得足夠的感性認(rèn)識(shí)；并且它還可以定性地探究與洛侖茲力的大小有關(guān)的因素，方式更加靈活，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行積極思考，很容易得出物理規(guī)律. 該實(shí)驗(yàn)將物理知識(shí)與化學(xué)知識(shí)交叉融合，更能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.