“旋轉的液體”
——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

（華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006）

筆者對傳統的“旋轉的液體”實驗進行改進，設計并制作了可用于演示、探究安培力和洛倫茲力方向的創新教具.該裝置具有實驗材料廉價易得、無有毒氣體和沉淀產生、演示效果明顯等優勢，能夠有效激發學生學習物理的興趣.

1 傳統實驗

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，內壁環附的金屬接電源正極，接通電源，兩電極間導電溶液（自由電荷）在磁場作用下發生旋轉.該實驗形式新穎、現象有趣，被廣泛應用于演示及探究安培力、洛倫茲力方向的實際教學中.

圖1 “旋轉的液體”傳統實驗

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

（1）容易產生有毒Cl2及沉淀.

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

（2）實驗現象不夠明顯、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生，實驗現象不夠直觀.

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生氧化還原反應形成沉淀，改用K2SO4溶液作為電解質避免電解過程生成有毒氣體.為讓實驗現象更加明顯、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，側面一面鏤空.

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

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

（4）向培養皿中倒入適量K2SO4溶液，并加入少量酚酞指示劑和彩色泡沫粒.

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

（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，調整角度實現對整個培養皿的實時影像拍攝.

3 教學演示及實驗拓展

（1）演示前，按上述要求放置和連接實驗裝置，斷開底座內部開關.

（2）打開手機攝像頭，提前與投影設備（電腦）進行連接實現實時投屏.

（3）教師演示時，閉合開關（接通電源），學生們觀察投影屏幕.可以明顯發現，培養皿中的溶液及其附著的彩色泡沫粒發生旋轉.在旋轉的過程中溶液顏色由無色透明逐漸變為紫紅色，實驗現象如圖3所示.

圖3 實驗現象俯視圖

（4）改變培養皿中心電極和四周電極與電源正負極的接法，可改變溶液中電流徑向流動方向（正負離子徑向運動方向）.對調強磁鐵磁極可以改變磁感應強度方向.可以發現，改變電流方向或磁感應強度方向，泡沫粒隨液體的旋轉方向均發生改變.

（5）利用電子秒表計時器記錄粒子轉速，調整放入的釹鐵硼強磁鐵數量改變磁感應強度大小或利用滑動變阻器改變電流大小，明顯發現泡沫粒子（液體）轉速隨之發生改變.若將磁鐵從底座內取出，可觀察到粒子（液體）轉速變慢，最終停止.

4 總結

改進后的實驗裝置實現了實驗的創新設計及拓展.該裝置不僅可以作為安培力或洛倫茲力新授課的導入實驗，也可以在教學過程中組織學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習課題實現從課內到課外知識和能力的拓展.