旋轉擺球式洛倫茲力演示儀*

王 磊 陳建文

一、洛倫茲力研究的發(fā)展背景

自從庫侖提出電和磁有本質上的區(qū)別以后，安培和畢奧等很多物理學家也都認為電和磁不會有任何關系。但深受康德哲學思想影響的丹麥物理學家奧斯特始終相信電、磁、光、熱等物理現象存在內在聯系，尤其是在富蘭克林發(fā)現萊頓瓶放電能使鋼針磁化的現象后，更堅定了他的觀點。經過長期的大量實驗探索，終于在1820年，奧斯特發(fā)現了電流的磁效應，開啟了電磁學研究的新紀元[1]。此后，以法、德兩國物理學家為代表的“源派”物理學家對電磁學做出了許多重大貢獻，例如，庫侖建立了庫侖定律，安培提出磁現象的本質是電流，建立了兩電流元作用力的安培定律，1845年韋伯明確提出帶電粒子是既有質量又帶電的粒子的概念，認為電就是帶電粒子，電流就是帶電粒子的運動[2]。以英國物理學家法拉第、麥克斯韋為代表的“場論派”持近距作用觀點，認為電磁作用的媒介物—電磁場是客觀存在的特殊形態(tài)的物質。洛倫茲集場、源兩派理論之長，把氣體分子動理論的成果引入電磁學，將經典電磁理論推向了高峰。

洛倫茲繼承了“場論派”近距作用的場觀點和源派電的帶電粒子的觀點并予以結合，洛倫茲認為，一切電作用力歸根到底是電場對帶電粒子的作用力，表示為FE(FE=qE)，一切磁作用力歸根到底是磁場對運動帶電粒子的作用力，所以安培關于兩電流元作用力的公式應理解為一電流元受另一電流元產生的磁場的作用力，因電流是帶電粒子的運動，故安培力的本質是磁場對運動帶電粒子的作用力，以qv取代安培力公式F=BIL中的IL即可得出F=qvB。這是洛倫茲在1982年電子尚未發(fā)現、且并無任何實驗證據時得出的洛倫茲力公式，簡言之，洛倫茲力公式是電磁場和帶電粒子兩大正確觀點相結合的產物和必然結果[3]。

二、洛倫茲力的實驗教學現狀

中學物理關于洛倫茲力的教學在高中的必修3-1部分，在學習安培力之后，作為對安培力的微觀解釋理論推出洛倫茲力的教學。目前我國中學階段的洛倫茲力學習主要以理論教學的方式。教師利用輔助教具直觀、形象地演示某種科學現象，提高學生的學習興趣并充分調動積極性，是一種非常有效的教學手段。

洛倫茲力的實驗主要以陰極射線在磁場中偏轉的形式為主，但是這樣的設備對于中學生而言比較昂貴，也比較危險。由于我國目前的教學儀器設計比較落后，能夠在中學課堂普遍推廣地、科學有效地演示洛倫茲力的實驗儀器還處在待研發(fā)狀態(tài)。

本設計給出一種演示洛倫茲力的設計方案，其設計簡單、制作成本低廉、演示效果明顯，對學生的啟發(fā)作用突出。該裝置可以顯示出帶電小球在磁場中的受力作用，通過改變磁場方向和帶電小球的運動方向可以看出帶電小球所受洛倫茲力的變化。以宏觀的帶電體來演示洛倫茲力的作用，通過帶電金屬球的圓錐擺來解決宏觀帶電物體受重力影響而難以演示洛倫茲力作用的問題，用擺繩拉力的豎直分力來平衡重力。該裝置可以讓物理課堂上抽象的洛倫茲力變得可視化，有利于學生對于電磁學的觀察、學習、理解。

三、洛倫茲力演示儀器的設計

1.實驗儀器的結構

本設計所述的用于物理實驗教學的旋轉擺球式洛倫茲力演示儀，其整體結構如圖1～圖3所示。該裝置主要由兩部分構成：范式起電機部分(圖1、圖2)和洛倫茲力演示儀部分(圖3、圖4)。范式起電機部分由集電球腔11、起電機支架12、摩擦帶13、導電刷14、摩擦棒15、驅動輪16、電動機17組成。洛倫茲力演示儀部分由上部支架201、上鐵芯202、上線圈203、擺球架204、導電絲205、金屬擺球206、真空腔207、下線圈208、下鐵芯209、下部支架210、開關211、電源212組成。

圖2 范式起電機部分側剖面圖

2.工作原理

本設計的簡要工作原理如下。

集電球腔11由金屬材料制成，下部鏤空成圓形開口，其表面和開口處打磨光滑架接在起電機支架12上。起電機支架12由絕緣材料制成，其上部固定安裝圓柱形狀摩擦棒15，摩擦棒15由聚合物材料制成，起電機支架12下部分為電動機17，電動機17的轉軸上安裝驅動輪16，驅動輪16和摩擦棒15之間安裝摩擦帶13，電動機17通電后驅動輪16驅動摩擦帶13運轉。摩擦帶13摩擦摩擦棒15使摩擦帶13帶點，導電刷14一端緊貼摩擦帶13，另一端連接集電球腔11，將摩擦產生的電荷導入集電球腔中。因集電球腔11為金屬球殼，其表面可以積累大量電荷。用導線將集電球腔11與洛倫茲演示儀上嵌入擺球架204內部的導電絲205連接，導電絲205懸掛金屬擺球206，以此將集電球腔11的電荷導入金屬擺球206上，使金屬擺球206上帶有大量電荷。

金屬擺球206由擺球架204懸掛在真空腔207內部，擺球架204固定在真空腔207上，真空腔207由透明絕緣材料制成，其內部抽成真空以盡量避免金屬擺球206擊穿空氣放電。真空腔207上下均安裝有絕緣材料制成的線圈支架，上部支架201和下部支架210。兩支架內部均為空心，上部支架201內部裝有上鐵芯202，外部繞有上線圈203，下部支架內部裝有下鐵芯209，外部繞有下線圈208。兩線圈與下部支架上的電源212和開關211連接。當接通開關211時可以使兩線圈中通有同方向直流電流，使真空腔207處于較強的磁場環(huán)境中，兩鐵芯的作用是來增強磁場強度。改變開關211擋位可以改變電流方向，進而改變兩線圈形成的磁場方向。

圖3 洛侖茲力演示儀部分剖面圖

圖4 洛侖茲力演示儀的整體結構圖

實驗中，使金屬擺球206帶上電荷后，斷開金屬球腔和金屬擺球的導線連接?；蝿诱麄€洛倫茲力演示儀。使其內部的金屬擺球206做大幅度的圓錐擺運動后保持儀器穩(wěn)定，待金屬擺球206穩(wěn)定圓錐擺旋轉后，接通開關211使金屬擺球處于豎直方向的磁場中。此時因金屬擺球206本身帶有大量電荷，又以垂直磁場的方向運動，金屬擺球206會受到一個垂直擺球運動方向的水平洛倫茲力作用。金屬擺球206在突然出現的水平洛倫茲力作用下，圓錐擺的運動半徑會突然改變。在一個新的高度上繼續(xù)做圓錐擺運動。本設計通過對圓錐擺運動的金屬帶電小球突然施加一個徑向的洛倫茲力改變帶電小球的運動軌跡，將洛倫茲力的作用顯現出來。

3.洛倫茲力演示儀器的使用方式

(1)探究磁場方向對洛倫茲力的影響

當金屬擺球206帶負電后，晃動整個演示儀使金屬擺球在軌跡1位置做圓錐擺運動(如圖5所示)后，啟動開關211選擇擋位使上線圈203和下線圈208通電流后形成向下的磁場。金屬小球206因為受到指向內側的洛侖茲力作用，其運動軌跡由軌跡1迅速變成軌跡2，可以明顯看到洛侖茲力的作用。斷開開關211后，金屬小球206會因為失去了磁場環(huán)境而失去洛侖茲力會回到軌跡1位置圓周運動，此時將開關211接通到第二檔位使上線圈203和下線圈209通電流后形成向上的磁場，此時金屬小球206因為受到指向外側的洛侖茲力作用，其運動軌跡由軌跡1迅速變成軌跡3(如圖6所示)。

(2)探究電荷運動方向對于洛倫茲力的影響

當金屬擺球206帶負電后，晃動整個演示儀使金屬擺球在軌跡1位置做圖5中的圓錐擺運動后，啟動開關211選擇擋位使上線圈203和下線圈208通電流后形成向下的磁場。金屬小球206因為受到指向內側的洛侖茲力作用，其運動軌跡由軌跡1迅速變成軌跡2，可以明顯看到洛侖茲力的作用。關閉開關后反向晃動演示儀使金屬擺球在軌跡1位置反向圓錐擺運動。啟動開關211選擇擋位使上線圈203和下線圈208通電流后仍形成向下的磁場，此時帶電金屬擺球206受到向外的洛倫茲力作用迅速變化到4軌道做圓周運動(如圖7所示)。

圖5

圖6

圖7

四、洛倫茲力演示儀器的優(yōu)點

(1)實驗效果明顯，課堂吸引力強。

(2)巧妙地將范式起電機與洛倫茲力、圓周運動結合，可以用來驗證電學，磁學，運動學等多種物理原理。

(3)本設計以宏觀的帶電體來顯示洛倫茲力的作用，將洛倫茲力宏觀化。

(4)本設計結實耐用、不易損壞、使用周期長、展示效果明顯。

(5)本設計結構簡單，可以推廣使學生進行分組實驗。