利用自制教具探究磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用

曹友燉

摘 要：根據(jù)新課標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的理念，利用簡(jiǎn)易自制教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，往往可觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力;本文介紹通過(guò)自制教具對(duì)影響洛倫茲力大小方向的因素進(jìn)行定性探究。

關(guān)鍵詞：自制教具;實(shí)驗(yàn)探究;洛倫茲力

“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用”相關(guān)知識(shí)較為抽象，因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)化抽象為形象，幫助學(xué)生掌握相關(guān)的物理知識(shí)顯得很有必要。傳統(tǒng)教學(xué)通常利用連接高壓電源的陰極射像管電子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，由于儀器的短缺，只能教師進(jìn)行演示，無(wú)法進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生沒(méi)能親身動(dòng)手操作和體會(huì)，實(shí)驗(yàn)的探究性和趣味性受到影響;筆者利用一些簡(jiǎn)易的材料自制實(shí)驗(yàn)教具，彌補(bǔ)儀器短缺問(wèn)題，讓學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)探究，提升實(shí)驗(yàn)探究效果。

1.自制實(shí)驗(yàn)教具介紹

用培養(yǎng)皿裝少量碳酸氫鈉（小蘇打）溶液，加上由培養(yǎng)皿中心指向器壁的發(fā)散電場(chǎng)，陰陽(yáng)離子將沿半徑方向定向移動(dòng)，再將溶液置于豎直方向的磁場(chǎng)中，溶液將發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng);通過(guò)溶液轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢和轉(zhuǎn)動(dòng)的方向來(lái)探究影響洛倫茲力大小方向的因素。

2.制作方法及原理

按照?qǐng)D1所示，把一厘米寬的鐵皮貼在培養(yǎng)皿的內(nèi)壁上，倒入少量的小蘇打溶液，輕輕撒上稍許痱子粉，使其漂浮在溶液表面，培養(yǎng)皿的中心插入石墨條，培養(yǎng)皿下方墊上磁鐵，并將電源正負(fù)極分別連接到石墨和鐵皮，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)裝置。

該裝置的實(shí)驗(yàn)原理：碳酸氫鈉水解為Na+和HCO3-，為溶液提供了陰、陽(yáng)兩種離子。用石墨條插入培養(yǎng)皿的中心，石墨接電源正極，鐵皮接電源負(fù)極，能夠形成由石墨指向鐵皮的扇形電場(chǎng)。在電場(chǎng)力作用下，陽(yáng)離子將沿半徑方向由石墨向鐵皮運(yùn)動(dòng)，陰離子將由鐵皮向石墨運(yùn)動(dòng)，形成運(yùn)動(dòng)電荷。培養(yǎng)皿下方墊上磁鐵（N極向上）如圖2所示，運(yùn)動(dòng)的陽(yáng)離子受到垂直于半徑順時(shí)針?lè)较虻穆鍌惼澚?，陰離子也受到順時(shí)針?lè)较虻穆鍌惼澚?。微觀粒子的運(yùn)動(dòng)情況，可以通過(guò)痱子粉的運(yùn)動(dòng)直觀展現(xiàn)出來(lái)，觀察到溶液順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

3.實(shí)驗(yàn)案例——教學(xué)中教具的應(yīng)用

教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，教師可以準(zhǔn)備好材料進(jìn)行分組探究，逐步引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的操作環(huán)節(jié)，學(xué)生在探究過(guò)程中循序漸進(jìn)的揭示其中的物理規(guī)律，提升學(xué)生探究學(xué)習(xí)效果。將“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用”的分組實(shí)驗(yàn)探究?jī)?nèi)容進(jìn)行拆解，可以先探究磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷是否有力的作用，建立深入探究的理論基礎(chǔ);再?gòu)挠绊懧鍌惼澚Ψ较蚝痛笮蓚€(gè)維度進(jìn)行探究，提高學(xué)生物理知識(shí)建構(gòu)的準(zhǔn)確性和全面性。

探究一：磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷是否有力的作用

實(shí)驗(yàn)1：石墨與鐵皮接通電源，培養(yǎng)皿下方不墊磁鐵與墊磁鐵兩種不同情況下，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有什么區(qū)別？

現(xiàn)象1：不墊磁鐵溶液不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng);墊上磁鐵后溶液轉(zhuǎn)動(dòng)了。

結(jié)論1：接通電源時(shí)，陰陽(yáng)離子沿半徑方向定向移動(dòng)，溶液順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明離子受到了順時(shí)針?lè)较虻牧?，即磁?chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的電荷有力的作用。

探究二：影響洛倫茲力方向的因素

實(shí)驗(yàn)2：如圖2所示，第一步，石墨接電源正極，鐵皮接負(fù)極，磁鐵N極朝上，觀察溶液轉(zhuǎn)動(dòng)方向;第二步，改變電源正負(fù)極，觀察溶液的轉(zhuǎn)動(dòng)方向;第三步，改變磁鐵方向（S極朝上），再觀察溶液轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

現(xiàn)象2：第一步溶液順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，第二步逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，第三步順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。

結(jié)論2：無(wú)論是改變電流方向（電荷運(yùn)動(dòng)方向）還是改變磁場(chǎng)方向，溶液轉(zhuǎn)動(dòng)方向都會(huì)發(fā)生改變，由此可知洛倫茲力方向與電荷運(yùn)動(dòng)方向、磁場(chǎng)方向有關(guān)。

探究三：影響洛倫茲力大小的因素

實(shí)驗(yàn)3：如圖2所示，第一步，墊一塊磁鐵，石墨與鐵皮連接一節(jié)，兩節(jié)，三節(jié)干電池的情況下，分別記錄20s時(shí)間內(nèi)溶液轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù);第二步，石墨與鐵皮連接一節(jié)干電池，墊一塊，兩塊，三塊磁鐵的情況下，再分別記錄20s時(shí)間內(nèi)溶液轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。

現(xiàn)象3：第一步溶液轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)分別約為2.5圈，3.8圈，4.5圈;第二步溶液轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)分別約為2.5圈，3.2圈，3.7圈。

結(jié)論3：增加電池節(jié)數(shù)和磁鐵塊數(shù)都能提高轉(zhuǎn)數(shù)，說(shuō)明電荷運(yùn)動(dòng)速度越大，磁場(chǎng)越強(qiáng)，洛倫茲力也越大。

4.教具創(chuàng)新之處及教學(xué)作用

該教具材料簡(jiǎn)易，制作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，便于分組，讓學(xué)生親身體會(huì)探究過(guò)程，帶來(lái)了更加深刻的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，有助于高中物理核心素養(yǎng)的落實(shí)，同時(shí)也增添了課堂學(xué)習(xí)的趣味性。通過(guò)此教具，化微觀的洛倫茲力為宏觀的溶液轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行觀察，實(shí)驗(yàn)圍繞“溶液轉(zhuǎn)動(dòng)”展開對(duì)“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用”深入探究，突破教學(xué)的重難點(diǎn)，讓抽象的物理問(wèn)題變得更加形象直觀，學(xué)生在學(xué)習(xí)中積極的思考猜想，并通過(guò)親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究驗(yàn)證，避免了空洞乏味的講解，幫助學(xué)生從不同維度認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用。另外，“溶液轉(zhuǎn)動(dòng)”為后面的帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)起到一定的鋪墊作用，對(duì)學(xué)生后繼章節(jié)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極的影響。

5.結(jié)語(yǔ)

自制教具的教學(xué)價(jià)值并不單單體現(xiàn)在這一個(gè)課時(shí)的教學(xué)中，教師只要用心開發(fā)定能將各式各樣的自制教具應(yīng)用到不同章節(jié)教學(xué)當(dāng)中，使自制教具更好的走進(jìn)物理教學(xué)，讓學(xué)生“動(dòng)”起來(lái)，讓課堂“活”起來(lái)。

參考文獻(xiàn)

[1]呂麗鳳.以自制教具提升物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[J].教師，2018（03）：23-25.

[2]周杰.自制教具在高中物理課堂教學(xué)中的使用[J].名師在線，2019（06）：75-77.