一種環形“洛倫茲力演示器”的制作

黃 玨 黃正玉

(1. 深圳實驗學校，廣東 深圳 518028； 2. 深圳市第二實驗學校，廣東 深圳 518021)

一種環形“洛倫茲力演示器”的制作

黃 玨1黃正玉2

(1. 深圳實驗學校，廣東 深圳 518028； 2. 深圳市第二實驗學校，廣東 深圳 518021)

洛倫茲力是指磁場對運動電子或離子的作用力．本裝置用于顯示磁場對溶液中運動離子的洛倫茲力．電解質溶液中的運動離子在磁場中受洛倫茲力,帶動整個液體的定向移動．本裝置通過透明圓形軌道中導電液上的漂浮物的運動,展示磁場對離子洛倫茲力的大小和方向規律．

1 實驗室演示儀的不足

一般學校擁有的洛倫茲力演示器為“JY219-87洛倫茲力演示器”．它能演示電子在勻強磁場及電場作用下的運動規律,并能測定電子的荷質比．但設備昂貴,一般均在3000～4000元．儀器要求真空(或低壓氣體)普通玻璃管,容易破碎．

還有一種就是液體的旋轉演示洛倫茲力,但是由于液體在同一個柱形水槽中旋轉,液體同時存在徑向和切向運動,方向觀察不清,不方便研究磁場方向和洛倫茲力方向的關系．

2 自制“環形洛倫茲力演示器”

(1) 該項目改進的創新點或改進點.

透明、環形管道、懸浮球、低壓安全、成本低．

① 可視性:通過環形透明管道中的懸浮球清晰展示洛倫茲力的大小和方向規律,環形管道內液體流向一致．無需投影,可在教室直接演示,演示效果良好．

② 安全性:相比于普通玻璃,本裝置的有機玻璃更安全．相比于高壓電子槍,低壓4-16V電源更加安全,如果改由充電電池,攜帶更方便．

③ 經濟性:相比數千元的定價,本儀器只需幾十元．方便學生參與動手制作．

(2) 結構原理和實物介紹(如圖1，2).

儀器由環形管道、強磁鐵數枚、電極、電流表、控制開關、直流2-16V電源等組成．本儀器采用帶電離子流來作實驗,在直流電場作用下,鈉離子Na+由正極流向負極的定向移動,在強磁鐵磁場作用下,磁場對作定向移動的Na+產生洛倫茲力,使得電解液在槽內沿環形槽流動．透明裝置便于學生在教室演示直接觀察．

(3) 制作材料.

4根透明有機玻璃管外徑4cm長15cm,內徑4cm的直角彎頭4個,銅電極2個,碳電極2個,直徑4cm柱形強磁鐵2枚．

(4) 實物制作.

將透明有機玻璃管和彎頭連成閉合環狀,在其一邊中間正上方開口．在開口處兩側安裝銅電極和碳電極．

圖2

(5) 使用方法.

① 將電極插入透明環形管道開口處兩側,與直流電源相連,電源電壓調為6V．在電極所在位置的環形玻璃管底部放上強磁鐵,保證磁極豎直向上(或向下)．實際工作電流約為150mA,磁鐵磁場約為30mT.

② 在環形玻璃管里加入配制好的硫酸鈉溶液,液面高度為環形玻璃管直徑的1/3至2/3．在環形玻璃管中放入懸浮塑料球,用于顯示液體的流動．

③ 打開開關,此時指示燈亮,儀器開始工作,通過懸浮球觀察導電液沿環形玻璃管流動,改變直流電壓觀察流速變化,改變強磁鐵極性或電源極性,觀察液體流動方向的改變．

(6) 注意事項.

① 電源電壓調節應從低往高調．

② 實驗時,電解液隨著實驗時間的增加會發熱,當電解液太熱時可關斷電源待冷卻后,再做實驗．

③ 透明環形管道為塑料制品,請勿與有機溶劑接觸,以免損壞環形管道的光潔度．

④ 實驗完成后,用清水清洗電極和懸浮球和玻璃管道,待下次可正常使用．儀器使用完畢后,及時切斷電源,清洗后將其放置在干燥、陰涼、無腐蝕氣體的通風之處．

2016-07-09)