洛倫茲力演示儀

趙林媛，代　偉，馬　蘭

(西華師范大學 物理與空間科學學院，四川 南充 637002)

洛倫茲力演示儀

趙林媛，代偉，馬蘭

(西華師范大學 物理與空間科學學院，四川 南充 637002)

摘要：對新課標中“洛倫茲力演示儀器”進行了改進，改進后的裝置能夠探究洛倫茲力F與磁場B、帶電粒子q以及帶電粒子運動速度v之間的關系，借助激光器能讓學生更好地看到帶電粒子所受洛倫茲力的情況、演示裝置結構簡單，操作方便，演示效果好，能提高洛倫茲力的課堂教學質量，激發學生學習興趣.

關鍵詞：洛倫茲力;磁場；帶電粒子

在高中物理電磁學中洛倫茲力占據重要地位. 在教學過程中發現學生容易將安培力與洛倫茲力之間的關系搞混淆，教師在講解時需要讓學生理解安培力是洛倫茲力的宏觀表現，要突出強調只有在導體靜止時洛倫茲力的合力才是導體所受安培力，因此學生對洛倫茲力的理解必須明確才能理清安培力與洛倫茲力之間的關系. 由于洛倫茲力比較抽象，所以演示洛倫茲力相關的實驗演示儀器一直被大家重視. 洛倫茲力是磁場對帶電粒子的作用力，一般難以直接觀察. 過去一般采用陰極射線管結合磁場，利用電子射線的變化來驗證洛倫茲力，但這樣只能演示帶電粒子在磁場中受力的作用，而不能定性證明洛倫茲力F與磁場B、帶電粒子q以及帶電粒子速度v之間的關系. 演示效果雖然明顯，但學生對影響洛倫茲力的相關因素理解卻不夠深刻. 為此作者對現有的洛倫茲力演示儀進行了改進，改進后的儀器更適于洛倫茲力教學，也實現了新課程標準要求學生對問題的理解“不僅要知其然，還要知其所以然”的教學目的.

1現有洛倫茲力演示儀

現階段高中物理中洛倫茲力教學一般用陰極射線管或圖1所示的J24052洛倫茲力演示儀進行演示，該演示儀是通過觀察導電液的旋轉情況來演示帶電離子受到洛倫茲力的作用，該儀器結構尺寸偏小，演示時儀器只能平放，實驗現象不易觀察. 現已有的一些洛倫茲力演示儀器，如參考文獻[1]中所述的演示裝置，它相對于傳統陰極射線管進行了改進，使用的是長條形的玻璃管，同時增加了演示平臺和內置的控制盒，結構雖然簡單，但在課堂演示過程中，學生的觀察注意力往往被電子束吸引，演示效果大打折扣.

圖1　J24052洛倫茲力演示儀

2洛倫茲力演示儀的改進

針對現有洛倫茲力演示儀存在的不足，根據新課程標準對洛倫茲力演示實驗儀進行了改進，改進后的洛倫茲力演示儀的結構如圖2所示. 儀器有上下2個盛水槽，下水槽中安放一水泵，可將下水槽中的導電液抽到上水槽中，上水槽中安放了1根溢水管，通過改變溢水管的高度就可改變導電水流流出時的流速v. 在上水槽上還放置了1只紅色激光器，將激光器對準出水管的中心，這樣從出水管流出的水流加上紅色激光更便于觀看，當導電液在磁場中受到洛侖磁力時導光水流就會發生偏轉，紅色激光也將隨著水流偏轉，這樣就可看到一條紅色偏轉水流，從而很好地演示導電液受到洛侖磁力作用. 為了得到變化的磁場，儀器使用了2個對稱安裝的方形電磁線圈來建立磁場，這樣設計一是保證導電水流下落的區域磁場均勻，二是通過調節勵磁電流的大小可改變作用于導電水流的磁感應強度B. 另外通過改變加到導電液中電流的大小或帶電液的濃度可改變導電液中帶電離子的數量從而改變q.

圖2　洛倫茲力演示儀

3演示儀的使用

首先將一定濃度的導電液倒入下水槽中，水深大約為下水槽高度的2/3，調節好上水槽溢水管的高度，然后開啟水泵將下水槽的帶電液抽到上水槽中，當溢水管開始溢水時，從出水管流出的水流的流速v保持穩定. 開啟激光器，將勵磁線圈通電，同時給上下溢水槽通電. 當導電水流從出水管流出時會進入勵磁線圈建立的磁場中，水中的帶電離子在磁場中就會受到洛侖茲力的作用，水流在該作用下發生偏轉，由于全反射紅色激光也隨著水流發生偏轉，紅色激光也跟著水流發生偏轉，所以這時在儀器前方就會看到1條彎曲的紅色水流，從而證明運動的帶電離子在磁場中會受到洛侖磁力的作用. 增大勵磁電流會觀察到紅色水流偏轉角度增大，說明磁場越強帶電離子所受洛侖茲力越大，改變勵磁電流的方向，紅色水流的偏轉方向也跟著改變，通過觀察到的實驗現象說明洛侖茲力與B的大小和方向有關；增大接入導電液的電流或增大導電液的濃度會觀察到紅色水流的偏轉角度也更大，該實驗現象說明洛侖茲力的大小與q有關，q越大洛侖茲力就越大；調節溢水管的高度，溢水管越高水流的流速v就越大，這時可觀察到紅色水流偏轉更大，此實驗現象說明洛侖茲力的大小與v有關，v越大洛侖茲力就越大.

4實驗裝置的優點

改進后的洛倫茲力演示儀有如下優點：

1)借助激光器觀察紅色的水流的偏轉角度來判斷洛侖茲力的大小和方向，演示效果明顯，觀察容易；

2)演示儀通過改變勵磁電流來改變B的大小和方向，調節簡單方便；

3)通過改變導電液的濃度或接入導電液的電流大小來改變帶電離子的q值，方法簡單效果好；

4)通過調節溢水管的高度來改變水流的流速進而改變帶電離子的運動速度v，設計巧妙.

5結束語

中學物理中洛倫茲力演示是電磁學中重要的實驗，改進的洛倫茲力演示儀能很好地演示洛侖茲力與B,v,q的關系，同時儀器結構簡單，制作成本低，操作簡便，演示效果明顯，使學生能直觀地觀察到帶電離子所受的洛侖茲力. 另外該儀器的使用也能對培養學生的創新意識和能力提供一些啟示和幫助.

參考文獻：

[1]林衍斌，郭年粉，石東方. 新課標下的高中物理探究式實驗教學 [J]. 物理實驗，2008，28(3):23-25.

[2]周亮. 洛倫茲力宏觀演示儀的制作[J]. 中學物理(高中版),2011,29(5):25-26.

[3]劉庭華. 洛倫茲力宏觀演示儀的制作可以更簡單[J]. 中學物理(高中版),2012,30(1):35.

[責任編輯：尹冬梅]

Lorentz force demonstration instrument

ZHAO Lin-yuan, DAI Wei, MA Lan

(College of Physical and Spacial Science， China West Normal University, Nanchong 637002, China)

Abstract:The new curriculum standard “Lorentz force demonstrating instrument” was improved improved device can explore Lorentz force F and magnetic field B, Q of charged particles and charged particle velocity V between, with the aid of the laser can make students better to see Lorentz force of charged particles, instrument has the advantages of simple structure, convenient operation, good demonstration effect, to improve the teaching quality of Lorentz force, stimulates the student to interest in learning to help, is worthy to be popularized.

Key words:Lorenz force; magnetic field; charged particle

收稿日期：2016-01-18

基金項目：四川省研究生教育改革創新項目(No.445001)

作者簡介：趙林媛(1993-)，女，四川茂縣人，西華師范大學物理與電子信息學院學科教育(物理)2015級碩士研究生，主要從事學科教育研究.

通信作者：代偉(1964-),男,四川遂寧人，西華師范大學物理與電子信息學院教授，學士，主要從事大學物理實驗教學與研究.

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)06-0044-03