“旋轉(zhuǎn)的液體”
——安培力和洛倫茲力可視化實驗改進

張潤生 楊詩淇 莊蘇維 李德安

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

筆者對傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)的液體”實驗進行改進，設(shè)計并制作了可用于演示、探究安培力和洛倫茲力方向的創(chuàng)新教具.該裝置具有實驗材料廉價易得、無有毒氣體和沉淀產(chǎn)生、演示效果明顯等優(yōu)勢，能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.

1 傳統(tǒng)實驗

如圖1所示，裝有飽和食鹽水的圓形容器放置在蹄形磁鐵中，容器中心金屬接電源負極，內(nèi)壁環(huán)附的金屬接電源正極，接通電源，兩電極間導(dǎo)電溶液（自由電荷）在磁場作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn).該實驗形式新穎、現(xiàn)象有趣，被廣泛應(yīng)用于演示及探究安培力、洛倫茲力方向的實際教學(xué)中.

圖1 “旋轉(zhuǎn)的液體”傳統(tǒng)實驗

然而，傳統(tǒng)“旋轉(zhuǎn)的液體”實驗以及相應(yīng)的改進實驗仍然存在以下缺陷，影響教學(xué)效果，且具有一定的安全隱患.

（1）容易產(chǎn)生有毒Cl2及沉淀.

傳統(tǒng)實驗常用金屬Fe、Cu、Al作為電極，用NaCl或者CuSO4溶液作為電解質(zhì)，通電后電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，容易產(chǎn)生有毒Cl2或沉淀.Cl2如果被吸入體內(nèi)會導(dǎo)致中毒，而溶液渾濁則會影響裝置使用的“壽命”，不利于反復(fù)利用.

（2）實驗現(xiàn)象不夠明顯、直觀.

一方面，市面上通用的蹄形磁鐵考慮用戶的使用安全，磁性較弱，用其進行實驗效果不佳；另一方面，NaCl溶液無色透明、實驗觀察視線受限進一步增加了觀察難度，教師的演示實驗往往不能面向全體學(xué)生，實驗現(xiàn)象不夠直觀.

2 實驗改進及裝置制作

使用惰性材料石墨作為電極防止兩極發(fā)生氧化還原反應(yīng)形成沉淀，改用K2SO4溶液作為電解質(zhì)避免電解過程生成有毒氣體.為讓實驗現(xiàn)象更加明顯、直觀，實驗中將蹄形磁鐵替換為磁性更強的釹鐵硼強磁鐵，在K2SO4溶液中加入少許酚酞進行染色，投入少量彩色泡沫粒使實驗現(xiàn)象更明顯，并利用手機拍攝圖像進行實時投屏.實驗裝置如圖2所示，具體制作如下.

圖2 實驗裝置剖面圖

（1）用5塊木板圍成長方形底座，在頂面中央打孔，側(cè)面一面鏤空.

（2）將直徑為15 cm的塑料培養(yǎng)皿放置在長方形底座上方，將培養(yǎng)皿及底座放置在木制轉(zhuǎn)動盤上實現(xiàn)裝置的整體轉(zhuǎn)動.

（3）削取適當(dāng)長度的鉛筆芯（石墨），將其貫穿培養(yǎng)皿底部中心并用熱熔膠固定，作為中心電極.剪取適當(dāng)長寬的石墨紙環(huán)置于培養(yǎng)皿內(nèi)壁，作為四周電極.

（4）向培養(yǎng)皿中倒入適量K2SO4溶液，并加入少量酚酞指示劑和彩色泡沫粒.

（5）將6節(jié)1.5 V的1號電池放置在長方形底座內(nèi)，電源正負極通過導(dǎo)線與培養(yǎng)皿中心電極和四周電極、開關(guān)及滑動變阻器（50Ω，1.5 A）串聯(lián).

（6）利用泡沫板包裝4塊長6 cm、寬4 cm、厚1 cm的釹鐵硼強磁鐵（避免被強磁鐵夾傷），并分別用紅色、藍色膠帶包裝其N、S級部分，利用亞克力分層架將包裝后的磁鐵放置在長方形底座內(nèi)部中央.

（7）在底座上放置手機支架，利用手機支架固定手機，調(diào)整角度實現(xiàn)對整個培養(yǎng)皿的實時影像拍攝.

3 教學(xué)演示及實驗拓展

（1）演示前，按上述要求放置和連接實驗裝置，斷開底座內(nèi)部開關(guān).

（2）打開手機攝像頭，提前與投影設(shè)備（電腦）進行連接實現(xiàn)實時投屏.

（3）教師演示時，閉合開關(guān)（接通電源），學(xué)生們觀察投影屏幕.可以明顯發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)皿中的溶液及其附著的彩色泡沫粒發(fā)生旋轉(zhuǎn).在旋轉(zhuǎn)的過程中溶液顏色由無色透明逐漸變?yōu)樽霞t色，實驗現(xiàn)象如圖3所示.

圖3 實驗現(xiàn)象俯視圖

（4）改變培養(yǎng)皿中心電極和四周電極與電源正負極的接法，可改變?nèi)芤褐须娏鲝较蛄鲃臃较颍ㄕ撾x子徑向運動方向）.對調(diào)強磁鐵磁極可以改變磁感應(yīng)強度方向.可以發(fā)現(xiàn)，改變電流方向或磁感應(yīng)強度方向，泡沫粒隨液體的旋轉(zhuǎn)方向均發(fā)生改變.

（5）利用電子秒表計時器記錄粒子轉(zhuǎn)速，調(diào)整放入的釹鐵硼強磁鐵數(shù)量改變磁感應(yīng)強度大小或利用滑動變阻器改變電流大小，明顯發(fā)現(xiàn)泡沫粒子（液體）轉(zhuǎn)速隨之發(fā)生改變.若將磁鐵從底座內(nèi)取出，可觀察到粒子（液體）轉(zhuǎn)速變慢，最終停止.

4 總結(jié)

改進后的實驗裝置實現(xiàn)了實驗的創(chuàng)新設(shè)計及拓展.該裝置不僅可以作為安培力或洛倫茲力新授課的導(dǎo)入實驗，也可以在教學(xué)過程中組織學(xué)生進一步通過分組實驗探究并驗證“安培力及洛倫茲力方向遵循的左手定則”，還可以作為研究性學(xué)習(xí)課題實現(xiàn)從課內(nèi)到課外知識和能力的拓展.