洛侖茲力實驗教學演示儀的改進

陳冀軒，成建群，林立燕

(佛山科學技術學院 物理與光電工程學院，廣東 佛山 528000)

洛倫茲力是高中物理的重要內容，常常也是學生的學習難點，若在教學時能進行洛侖茲力的演示，會利于學生理解. 但現在市售的常規洛侖茲力演示儀價格普遍比較高. 目前所使用的洛侖茲力演示儀[1-4]只能驗證洛侖茲力的存在，而無法定性地探究洛侖茲力f與帶電粒子運動速度v、磁感應強度B三者之間的關系，影響了課堂教學效果. 為了將微觀現象宏觀化，使用了類似“旋轉木馬的裝置”[5]，但該裝置制作復雜，不適合課堂教學.

針對上述實驗裝置的缺陷，在原有的洛侖茲力演示儀[6]的基礎上進行了改進，不僅降低了實驗設備的成本，而且還可以直觀地看到粒子在受到洛侖茲力之后的運動變化過程，從而可以定性地探究洛侖茲力與其他物理量的關系.

1 實驗儀器介紹

1.1 實驗原理

帶電粒子在磁場中做定向移動，且運動方向與磁場方向垂直，就會受到洛侖茲力的作用，并且洛侖茲力的大小滿足

f=qvB.

(1)

1)自制的洛倫茲力實驗教學演示儀如圖1所示，實驗前，先配置好一定濃度的Na2SO4溶液，然后倒入儀器當中，并滴入少量的無色酚酞溶液.

圖1 自制洛倫茲力實驗教學演示儀圖

2)儀器中的圓形容器為電解槽，中心的銅柱為電解槽陰極，容器的四周用銅片繞制形成陽極，啟動電解槽開關后，電解產生大量的OH-，這時OH-在電場力的作用下，開始向陽極做定向運動，溶液中的酚酞遇到OH-會變紅，且慢慢地向外擴散.

3)在容器周圍繞制多層線圈，當啟動線圈開關時，線圈通入直流電，產生豎直方向垂直于粒子運動方向的磁場B，使得粒子(OH-)受到洛侖茲力的作用而發生旋轉，速度方向與粒子定向移動方向相反，所以可以看到紅色溶液部分旋轉起來.

4)通過改變電流的方向可以改變磁場的方向，可以驗證洛侖茲力的方向符合左手定則；同時可以通過改變可控變壓器的旋鈕，改變通入線圈和電解槽的電流大小，達到定性探究洛侖茲力影響因素的目的.

5)裝置可以使用投影儀將實驗現象投影到屏幕上，讓實驗現象更加直觀.

1.2 儀器的制作方法

1)外殼的制作. 外殼使用定制透明的亞克力板，包括外包圍的亞克力外殼和中心的圓柱形亞克力電解槽.

2)電解槽與電解電路的制作. 電解槽電路如圖2所示. 在圓柱形的電解槽中心鉆孔，將金屬長螺釘從底部插入，插到底后上緊螺母，然后用熱熔膠將縫隙全部封緊，作為陰極，再用銅板繞圓環，貼緊電解槽內壁，作為陽極.

圖2 電解槽電路圖

若產生明顯的實驗現象，電解槽兩端應當施加至少30 V的直流電壓，實驗使用了220 V AC轉36 V DC的直流變壓器對220 V電壓進行降壓和整流，再輸入到電解槽. 其中，正極接電解槽的陽極，也就是圓環，陰極接螺釘，作為陰極.

現在大部分220 V交流轉直流的變壓器內部都有調壓旋鈕，因此可不用額外購買直流調壓器，從而簡化了儀器的內部結構，降低了設備成本.

3)線圈與線圈電路的制作. 線圈電路圖如圖3所示，線圈使用0.3 mm的漆包線制作，在電解槽周圍密繞3 000～4 000匝即可. 而線圈通入的電流需要使用220 V AC轉110 V DC的變壓器. 此處用于監控電流的電流表需要使用毫安表，因為線圈的阻抗較大. 如果想讓實驗現象更加明顯，可以直接接入市電，然后使用全橋整流之后直接輸入線圈.

圖3 線圈電路圖

4)磁場換向與電流換向電路. 完整的換向電路圖如圖4所示，使用2個雙刀雙擲開關即可完成換向，這里使用了TYPE 1322擺臂開關換向.

圖4 磁場與電流換向電路圖

2 實驗步驟以及注意事項

1)把事先調配好的Na2SO4溶液倒入電解槽中，用溫水調配溶液，能讓溶液快速達到飽和并產生更多的離子. 特別需要注意的是，不能使用NaCl溶液進行實驗，否則會產生有毒的氯氣；其次需要控制電流在安全范圍之內，溶液的濃度越高，越容易燒壞導線.

2)滴入酚酞后，啟動電解槽，可以看到溶液從中心螺釘處慢慢開始變紅，然后向外擴散(如圖5所示)，這是因為Na2SO4溶液在電解時產生大量的OH-，讓溶液變紅；緊接著OH-在電場的作用下開始朝著陽極運動，因此可以看到紅色部分慢慢向外擴散.

圖5 紅色區域不斷向外擴散圖

3)啟動磁場開關，可以觀察到溶液從向外擴散時并伴隨繞中心旋轉，這是因為在施加豎直磁場之后，定向移動的OH-受到洛侖茲力的作用，而發生旋轉，因此與上一步形成對比，證明洛侖茲力的存在.

4)增大電解槽的電壓，保持線圈電壓不變，可以觀察到，溶液旋轉的速度更快了，而電壓越大，粒子運動的速度就越快，因此可以證明粒子運動的速度和洛侖茲力的大小有關. 粒子的運動速度越快，粒子受到的洛侖茲力就越大.

5)讓學生觀察溶液的旋轉方向，根據洛侖茲力和安培力的關系(洛侖茲力為安培力的實質)，提出“洛侖茲力的方向同樣符合左手定則”的猜想，并嘗試用左手定則判斷洛侖茲力的方向，從而判斷溶液的旋轉方向；然后更換溶液，再次實驗，觀察實驗現象，驗證猜想是否正確，最終證明，洛侖茲力的方向和安培力符合左手定則.

6)增大線圈中通入的電流，保持電解槽的電壓不變，可以觀察到溶液旋轉速度增大，意味著洛侖茲力的大小也隨之增大. 因此可以證明，磁場大小同樣也會會影響洛侖茲力的大小.

3 結束語

改進的洛倫茲力實驗教學演示儀價格低廉，使用簡單，制作難度小，展示方便；還可以通過投影儀進行投影，教學效果較好. 同時，它能將抽象的物理概念轉化為生動的物理實驗現象，將抽象的洛侖茲力轉化為容易容易觀察到的實驗現象，讓學生獲得足夠的感性認識；并且它還可以定性地探究與洛侖茲力的大小有關的因素，方式更加靈活，通過實驗現象引導學生進行積極思考，很容易得出物理規律. 該實驗將物理知識與化學知識交叉融合，更能引起學生的學習興趣.