洛倫茲力演示儀的創新與自制

李 航

(凱里市第一中學,貴州 凱里 556000)

在“磁場對運動電荷的作用力”的教學中,洛倫茲力的大小與方向關系是一個重點也是難點,教材所給的教學過程是先演示陰極射線在磁場中偏轉的實驗,然后再由理論推導出洛倫茲力的表達式F=Bqv,但是根據學生的認知特點與學習能力,很難對洛倫茲力表達式有直觀深刻的認識.本文提出設計的洛倫茲力環形簡約化演示儀可以作為該部分教學中的演示實驗,讓學生對洛倫茲力有更深刻理解.

1 演示儀的設計思路

在人教版高中物理選修3-1第三章中提供有兩種有關洛倫茲力的實驗,但是這些實驗存在可視化程度不高和缺乏安全性的問題,其中最重要的是沒有完善對F、B和v大小方向的控制變量法的研究.例如“JY219-87洛倫茲力演示儀”價格昂貴很難在普通學校推廣.[1]傳統實驗方法液體的旋轉(如圖1所示)很難準確判斷洛倫茲力是向心力還是切向力(如圖2所示);教材建議鹽水反應雖然取材方便但會有有毒氣體Cl2產生,降低了實驗的安全性;銅鐵電極易被腐蝕,不耐用;用塑料球或泡沫顆粒作為觀察材料會因液體表面張力而吸附在器壁上,從而無法明顯觀察到透明溶液流動.[2]為改進上述不足,結合一體化的改進設計,自制出洛倫茲力環形簡約化演示儀.

圖1 “旋轉的液體”實驗

圖2 “旋轉的液體”實驗原理假設

2 儀器結構與制作

2.1 洛倫茲力環形簡約化演示儀的基本結構

本裝置是由四大部分構成,分別是:環形管道、石墨電極與Na2SO4溶液所組成的反應區,由LED燈與屏幕組成的流速放大器,還有數字可調電源,最后是磁場產生區,電路示意圖如圖3所示,實物圖如圖4所示.

圖3 實驗電路示意圖

圖4 洛倫茲力環形簡約化演示儀結構圖

2.2 演示儀的制作

(1) 反應區部分是市售的PVC透明塑料管,網絡或者建材用品店均可以購買到,主要結構是四根直徑為40 mm的透明管作為Na2SO4溶液定向流動的容器;長條形石墨紙電極緊貼在管壁兩側,增加反應面積.

(2) 流速放大器部分,首先根據光沿著直線傳播的微小放大原理,把漂浮在流動溶液上的細小石墨粉陰影位移放大投影在圓形屏幕上,這里需要LED燈作為光源安置在透明管下方,并連接好獨立電源.

(3) 數字電源是采用電流與電壓都可無極可調的數字顯示電源,采用這樣的電源可以快速調節溶液離子在電極間的橫向移動速度v的大小,旋轉三擋開關方便改變電源正負極從而改變溶液離子的移動方向.

(4) 自制磁場發生裝置共有兩套方案,第一方案:本實驗采用兩組4塊磁鐵來產生磁場,并且用改變磁鐵布置的方法來改變磁場強弱與方向.第二方案:由10個線圈組成兩組勵磁組件,通過改變勵磁電流而產生不同大小與方向磁場,如圖5所示．從而判斷磁感應強度對洛倫茲力的影響.

圖5 勵磁線圈部件安裝實物圖

本教具具有現象明顯,構思獨特,應用性強,安全性高,取材于生活等特點.

3 演示儀原理

3.1 液體的流動

由于洛倫茲力的作用對象是微小的離子,大小在10-10m的數量級,以傳統方法難以直觀觀察,為此這里用一定濃度的Na2SO4溶液中的離子在石墨電極所產生的電場作用下定向移動,在磁場中定向移動的離子會受到洛倫茲力的作用,[3]使得溶液在管中沿著環形流動.依據電流的微觀表達式I=nSqv,溶液離子定向移動速度大小可以用數字化電源測的電流反應出來,如果電流增大后在流速放大器觀察出流速變大,則洛倫茲力與帶電粒子移動速度v正相關,如果觀察流速變慢則表示負相關.

3.2 流速放大器

自制流速放大器,一種利用光沿著直線傳播放大溶液流動方向與流速大小的裝置,由LED光源,半圓形投影屏構成,屏上有厘米刻度線,在實驗條件下可大致讀出在14 V電壓(0.56 A)時,懸浮物光影反映流速約為4 cm/s.

4 演示與操作

4.1 演示步驟

4.2 分析論證

觀察記錄流動方向,分析磁場、電流與洛倫茲力的相互關系(如圖6所示),可以利用教學實驗表格進行填寫并總結出規律,如表1所示.

圖6 磁場、電流與洛倫茲力的方向關系示意圖

結論:磁場中帶電粒子受洛倫茲力力F與粒子移動速度v和磁感應強度B的乘積Bv成正比,結合教學內容后得到左手定則與F=Bqv.

表1 實驗現象記錄表

5 實驗評估

選修3-1第3章第4節左手定則與第5節運動電荷在磁場中受到的力的教學過程應用了自制的實驗設備,與傳統實驗相比,該儀器主要優勢是豐富課本實驗中的控制變量法的使用,且有著明顯的實驗現象與安全耐用的特點,這能有利于實驗的推廣.

5.1 創新點

(1) 旋轉可視性.用液體在環形管道中的定向流動顯化洛倫茲力,用自制流速放大器放大流動現象,擺脫投影儀器的束縛.流動現象響應迅速,改變各物理量后大約1秒鐘即可觀察到流動變化.

(2) 溶液的安全性.生成物無毒無害,相比高壓電子槍,工作電源更安全;

(3) 簡約經濟性.操作過程簡單易懂,材料簡單耐用,推廣性強;

(4) 數字化表可形象定性判斷物理量變化;

(5) 實驗部件全部整合在箱子里,一體化的設計方便老師展示講解攜帶.

5.2 注意事項

本實驗電源電壓從低往高調,不宜超過20 V;實驗時,LED燈與電解液會發熱,當過熱時可關掉電源冷卻后再做實驗;管道為亞克力塑料制品,避免有機溶劑腐蝕;實驗完成后,回收好液體,用清水清洗管道與電極備用,并放置在陰涼干燥處保存.