水槽式洛倫茲力演示儀

蔣金華,代 偉，杜 倩，王 漫

(西華師范大學 物理與空間科學學院,四川 南充 637002)

水槽式洛倫茲力演示儀

蔣金華,代 偉，杜 倩，王 漫

(西華師范大學 物理與空間科學學院,四川 南充 637002)

針對教材中洛倫茲力演示儀的不足，設計了水槽式洛倫茲力演示儀. 該演示儀通過觀察水槽中漂浮物運動情況判定洛倫茲力方向和大小，并探究洛倫茲力F與磁感應強度B、帶電粒子q以及其運動速度v之間的關系.

洛倫茲力；磁感應強度；帶電粒子

目前，高中物理洛倫茲力教學中關于洛倫茲力方向的判斷多數選用陰極射線管來進行探究，該設備較貴，由于工作電壓較高所以演示操作比較危險，另外真空玻璃管也容易破碎. 洛倫茲力大小探究一般采用J24052洛倫茲力演示儀，該演示儀是通過觀察導電液體的流動來定性探究演示洛倫茲力的大小和方向. 該儀器是通過液體的旋轉演示洛倫茲力，但是由于液體是在圓柱形水槽中旋轉，液體同時存在徑向和切向運動，方向觀察不清，不便研究磁場方向和洛倫茲力方向的關系. 為此對現有儀器的不足進行了改進，設計了水槽式洛倫茲力演示儀，可以簡便直觀地探究帶電離子洛倫茲力的大小和方向.

1 水槽式洛倫茲力演示儀

水槽式洛倫茲力演示儀如圖1所示，演示儀全部由有機玻璃板粘合而成，環形水槽的立板用有機玻璃條通過熱彎機彎成型后，用有機玻璃粘合劑將立板與底板粘在一起，構成環形開口水槽. 整個儀器分為3部分：

(a)示意圖

(b)實物圖圖1 水槽式洛倫茲力演示儀

1)帶電離子，環形水槽用來盛裝硫酸鈉溶液，硫酸鈉溶液在電離時會產生帶電離子，演示時在溶液中放一小木球作為漂浮物，通過觀測木球的運動情況判斷洛倫茲力F的大小及方向.

2)電場，在環形水槽的一條邊上安裝電極，兩電極分別選用長條形碳棒和銅棒，并將其固定在一有機玻璃塊上，兩電極分別與直流電源的正負極相連，直流電源電壓可調，在其他條件一定的情況下改變電壓，導電液中離子在洛倫茲力的作用下運動速度也會跟著發生改變，從而可以探究洛倫茲力F和離子運動速度v間的定量關系.

3)磁場，在環形水槽中電極的正下方放置可調節磁感應強度的勵磁線圈，調節勵磁線圈中的電流就能改變磁感應強度B，可以探究在其他條件一定時，洛倫茲力F與磁感應強度B間的定量關系.

2 演示儀操作步驟

1)將事先溶解的硫酸鈉溶液倒入環形水槽中(其溶液的高度約為水槽高度的1/2)，在溶液中放入小木球作為漂浮物.

2)給勵磁線圈通電，使其產生穩定磁場，磁極方向始終保持豎直向上或向下.

3)將電極兩端接入電源，兩電極此時會產生氣泡，硫酸鈉產生電離，電解質溶液中的運動離子在磁場中受洛倫茲力作用，帶動液體定向移動. 改變電極電壓大小，觀察并測量木球的運動速度，即可探究洛倫茲力F和離子速度間的關系. 保持電極兩端電壓一定，改變勵磁線圈的電流，觀察并測量木球的運動速度，則可定量探究洛倫茲力F和磁感應強度B間的關系.

4)改變電極的電流方向或勵磁電流的方向可探究洛倫茲力F的方向與磁感應強度B的方向、帶電粒子q的運動方向之間的關系.

3 儀器優點

水槽式洛倫茲力演示儀有以下優點：

1)演示儀通過硫酸鈉溶液中離子的定向運動帶動液體流動，通過觀察液面上小木球的運動方向和運動速度的快慢就可直觀判斷洛倫茲力方向和大小.

2)演示儀由有機玻璃制成，呈透明狀態，便于學生觀察.

3)改變溶液的密度，就可改變帶電離子的q值，改變電極電壓就可改變帶電離子的運動速度v，改變勵磁電流的大小就可改變B. 儀器操作簡單，實驗現象效果明顯.

4)水槽做成敞口，既有利于電極產生的氣體及時排出，也有利于加裝溶液和改變溶液的密度.

5)電極安放在環形水槽的直線邊上，克服原有儀器液體同時存在徑向和切向運動的缺陷.

6)探究洛倫茲力F=qvB關系式時，可通過測量小木球的運動速度來定量探究F與q,v,B之間的關系，通過數據分析得出F=qvB關系.

4 結束語

洛倫茲力是高中新課程標準中的重要內容，在高中物理教學中有著重要的地位. 改進后的演示儀，對洛倫茲力關系式F=qvB中各物理量間的關系進行定性和定量探究. 演示儀的制作材料取材于實際生活，所創設的物理情境給學生的感覺既新穎又親切，激發了學生的學習興趣，培養了學生的動手能力，啟發了學生的創新思維.

[1] 趙林媛，代偉，馬蘭. 洛倫茲力演示儀[J]. 物理實驗,2016,36(6):44-46.

[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.

FlumetypeLorenzforcedemonstrator

JIANG Jin-hua, DAI Wei, DU Qian, WANG Man

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

Aiming at the deficiency of traditional Lorenz force demonstrator, flume type Lorenz force demonstrator was designed. The direction and strength of Lorenz force was judge by observing the flotage in the flume, and the relations between Lorenz force and magnetic field intensity, electronic charge and velocity were explored.

Lorenz force; magnetic field intensity; charged particle

G633.7

A

1005-4642(2017)10-0058-02

[責任編輯：尹冬梅]

2017-06-18

四川省研究生教育改革創新項目(川學位[2014]1號)

蔣金華(1992-)，男，四川廣安人，西華師范大學物理與空間科學學院2017級碩士研究生，研究方向為學科教育.

代 偉(1964-)，男，四川遂寧人，西華師范大學物理與空間科學學院教授，學士，主要從事大學物理實驗教學與研究.