對教材“旋轉的液體”的實驗改進研究

(吉林師范大學物理學院，吉林 四平 136000)

為形象地說明通電導線在磁場中所受安培力的情況，人教版選修3-1第三章第4節的“做一做”欄目以“旋轉的液體”為主題進行了別開生面的實驗設計，即將通電電解液看做導線，通過研究電解液的旋轉分析通電導線的受力.該實驗思路清晰，取材簡單，但在具體的操作中我們發現需要進行適當調整，方能使現象更加明顯.

1 原有實驗的設計及問題

圖1

教材的原有實驗設計如下：“在玻璃皿中心放置一圓柱電極，沿邊緣內壁放一個圓環形電極，分別與電池兩極相連，玻璃皿中放入鹽水作為導電液體.在U形磁鐵的磁場中，液體會旋轉起來”(如圖1).

按照書中設計所取得的實際效果不盡如人意，液體旋轉現象不明顯，很難適應演示教學的要求.根據實驗原理，即F=ILBsinθ，可以從電流和磁場兩條線索尋找改進措施.研究發現，該設計存在以下兩個問題：

一是電流的來源：在實驗中，如果選用干電池，即使不斷增大電壓，直至9V，器皿中的液體旋轉得也不明顯，轉動得非常“吃力”，且不持久.經過分析，原因在于普通干電池會因為外電路的金屬絲電阻過小而使電池接近短接的狀態，進而導致干電池出現極化現象：電池內部很快產生大量的熱、內阻增大、電流減小，進而所產生的安培力很小，無法明顯驅動溶液旋轉，現象不明顯.

二是磁場的來源：實驗室常見的U形磁鐵尺寸較小，常見規格為：高度為60mm，深度為70mm，寬度為20mm，較大一些的寬度也不過30mm.寬度過小、高度較低將不利于穩定置放玻璃皿，視野局促，更不利觀察.另外，實驗室中常用的U形磁鐵的磁感應強度較小，而口徑處的磁場強度變化較大，磁場不均勻，有的教師即使用了三塊蹄形磁鐵并排放置，電流通過的氯化鈉電解液旋轉效果依然不佳.

2 改進設計與現象分析

(1)改進裝置

在電流源方面，我們將電池換成4.5V的穩壓直流電源，調至1A電流檔位，以此克服電流不穩定的問題.在磁場來源方面，選用平板型的磁懸浮演示用的強磁鐵，它能夠提供豎直向上的接近勻強的磁場.圓柱形電極可以使用長一些的平頭螺絲，改進所需器材如圖2所示.

圖2

(2)操作與現象

用鐵絲圍成一個線圈，充當負極；為使裝置穩定，留出一個端點用鱷魚夾將其固定在器皿邊緣處，并接在電路中；將金屬螺絲平頭朝下置于食鹽溶液中充當正電極，圓環狀鐵圈充當負極.由于金屬螺絲電極與器皿下面的磁鐵吸引而能夠比較穩固地立置于電解質液體中(如圖3).

通電過程中，能較容易地看到液體由靜到動，加速旋轉，同時由于氯化鈉液體不斷地被電離出氯氣，液體會逐漸變暗黃.

通過這種重新的設計組合，液體的轉動效果非常明顯.另外，為了方便距離較遠的學生觀察，可以使用實物投影儀，或者在液面上適當撒些花瓣，突出旋轉過程，安培力方向也更容易被判定.

圖3