改制安培力實驗演示儀

陳子戎

問題的提出

物理課上，老師帶領我們去實驗室驗證安培力的存在及其方向。根據教材中相關提示，我在老師的指導下用到了以下實驗器材：一塊馬蹄形磁鐵，鐵架臺，輕質導線，學生電源。

實驗步驟是這樣的：分別給導線的兩端接上電源的正極和負極，然后接通開關，便可看到導線向外移動。在具體操作中，我發現這個實驗對精準度的要求較高，而且實驗現象并不是很明顯，特別是實驗器材——馬蹄形磁鐵在生活中并不常見，同時還需要解決磁鐵固定等問題，并不適合我們學生在日常生活中進行探究和學習。

課后，我便一直在思考有沒有更簡便可行的實驗方案。馬蹄形磁鐵不易尋找，但只要有相同功效的其他磁鐵都應該可以替代。其他一些器材是不是也可以找到更好的物品替代呢？我想起家中有個年久失修、廢棄不用的舊音響，里面有塊環形磁鐵。帶著迫切而期待的心情，我卸下家中音響中的磁鐵，第二天就帶到學校，在老師的幫助下動起手來。

實驗過程

1.制作材料

該演示儀的器材有：培養皿、導線兩根、環形電極（利用薄鋁條彎曲而成）、砝碼（充當圓柱形電極，建議用惰性電極，如碳棒）、NaCl溶液（建議用NaNO3、Na2SO4等，因鈉離子、硝酸根離子和硫酸根離子不會參與電解）、環形強磁鐵、學生電源。

2.操作說明

在培養皿中倒入適量NaCl飽和溶液，并將環形電極接在培養皿邊緣，將砝碼放入環形磁鐵中再將它們置于培養皿中央，把鋁環接在學生電源的“穩壓直流”正極接線柱上、砝碼接負極接線柱。可以看到加了一滴紅墨水的NaCl飽和溶液旋轉了起來，很快就呈現出內低外高的渦旋狀液面，最終將保持一定的角速度做勻速圓周運動。

3.現象分析

溶液為什么會旋轉呢？從能量的角度看，電能轉化成了溶液轉動的動能，類似于電動機。從力的角度看，環形強磁鐵的N、S極分別位于軸向的兩個平面上（當上表面為N極時），鋁環接正極、砝碼接負極，能產生無數股由培養皿邊緣指向中心的電流，取其中一滴溶液分析，根據左手定則，它受到安培力，于是這滴溶液運動起來了，位于環形磁鐵與鋁環間的任意一滴溶液都受到類似的安培力，因此溶液運動起來了。

溶液旋轉的向心力來源于哪呢？對于溶液，它受到的重力與安培力并不能提供向心力，但其他溶液對它的作用力卻可以用來提供安培力。在溶液轉動的過程中，安培力在切線方向且與速度方向一致，充當動力。

那么為什么溶液不會越轉越快而是最終保持勻速率轉動呢？實際上，溶液轉動時，溶液間存在粘滯阻力，速率越大粘滯阻力越大，當速率增大到一定值時，粘滯阻力恰好等于安培力，此時，溶液將保持勻速率轉動。

改制小結

與實驗室中傳統的演示儀相比，改制后的演示儀器取材簡單，用一個環形強磁鐵替代馬蹄形磁鐵，取消了其固定裝置，既大大節省了材料，又讓整個實驗現象更直觀明顯。endprint