洛倫茲力可視化演示儀

肖凱龍，莊浩麗

(華南師范大學 物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006)

洛倫茲力可視化演示儀

肖凱龍，莊浩麗

(華南師范大學 物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006)

對傳統的“旋轉的液體”的實驗裝置進行了改進. 實驗裝置中水槽里的飽和食鹽水中的帶電粒子在徑向電場作用下獲得沿半徑方向的運動速度，此時在水槽下方加磁鐵，在的作用下，液體受到沿著同心圓切向方向的洛倫茲力作用旋轉起來，旋轉的液體帶動自制的“木馬”旋轉，即可實現無需投影直觀觀察液體的旋轉實驗.

洛倫茲力；旋轉液體；磁場；電場

洛倫茲力的微觀抽象性給學生帶來較大的認知困難. 通過宏觀現象認識微觀本質是突破教學難點的有效手段. 但現有的洛倫茲力教具不能很好地演示出洛倫茲力的微觀本質及其方向，而且價格較為昂貴. 基于此，筆者在文獻[1]的基礎上加以改進，設計出可探究洛倫茲力方向的教具，以增強洛倫茲力實驗的演示效果.

1 實驗裝置與原理

實驗裝置如圖1所示. 在水槽中倒入適量飽和食鹽水，溶液中的帶電離子便在徑向電場的作用下獲得沿半徑方向運動的速度. 此時，再把磁鐵推入水槽正下方，則原本沿徑向運動的帶電離子在磁場的作用下，受到沿著同心圓的切向方向的洛倫茲力，使液體旋轉起來，從而帶動“木馬”的轉動.

圖1 水中旋轉木馬實驗裝置

2 實驗裝置的制作

1)用木板圍成八邊形的底座(也可圍成其他形狀，美觀即可)，其中兩面鏤空，方便存放電池與磁鐵. 再用PVC板剪裁1塊等大的八邊形的蓋子，中間挖出剛好能夠放置一次性塑料碗的圓孔.

2)將塑料碗剪掉適當高度，作為水槽.

3)取5cm長的2B鉛筆筆芯，穿出水槽中心底部約1cm，并用熱熔膠固定，作為中心電極；將鐵絲繞成比水槽周長稍小的圓，作為外圍電極. 在中心電極頂端固定一塊插有繡花針的橡皮擦，以支撐“旋轉木馬”.

4)將4節1.5V的1號電池串聯后放入在底座內(圖2)，其中電源的正負極分別接中心電極的筆芯或外圍電極的鐵絲.

5)取一次性紙杯，保留相互垂直的4條邊，每條邊的寬度約0.5cm，長度以浸入液體不與水槽底部接觸為宜，剪去剩余部分. 在每條邊的底部垂直地插入大小相同的小銅片，以增加與液體切向受力的面積. 用紅色卡紙和泡沫粒進行簡單裝飾，即做成“旋轉木馬”(圖3).

圖2 裝置底座

圖3 旋轉木馬

6)取2塊直徑為4cm、厚0.5cm的釹鐵硼強磁，將其中一塊強磁的N極固定于立方體泡沫的一面，將另一塊強磁的S極固定于立方體泡沫的對立面，并分別用對應的藍色或紅色卡紙包裝(圖4).

圖4 磁鐵安放

3 教學演示

1)演示前，電源的一端與中心電極連接，另一端與外圍電極斷開，磁鐵藏于遠離水槽底部且不讓學生看見. 向水槽中倒入適量飽和食鹽水，將旋轉木馬平穩地放在繡花針上.

2)將電源的另一端與外圍電極連接，此時木馬仍保持靜止. 然后將磁鐵推入水槽正下方，針尖上的木馬在液體的帶動下突然從靜止旋轉起來，旋轉的方向可根據左手定則進行判斷.

3)改變中心電極和外圍電極與電源的正負極的接法，可改變溶液中正負離子的運動速度的方向；調轉磁鐵，可改變磁場的方向. 通過上述操作，可方便地探究洛倫茲力的方向.

通過對“旋轉的液體”的實驗裝置進行美化創新，該裝置既可以作為洛倫茲力的新課導入實驗，也可以作為探究洛倫茲力方向的實驗裝置. 這種低成本的實驗裝置既有利于實驗教學的趣味引導，更能夠創設發散思維的情境，培養學生創新的能力.

[1] 張玲. “旋轉液體”實驗制作及改進[J]. 物理實驗，2017，37(2)：60.

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

Lorentzforcevisualizationdemonstrator

XIAO Kai-long， ZHUANG Hao-li

(South China Normal University， Guangzhou 510006， China)

The traditional “rotating liquid” experimental device has been improved. The charged particles in the saturated salt water were radially accelerated with radial electric field. At the same time, a magnet was added under the sink, and the liquid was subjected to a tangential motion under the action of the Lorentz force, then rotating liquid drove the “Trojan” to rotate. The experiment phenomena could be observed directly without the help of projector.

Lorentz force; rotating liquid; magnetic field; electric field

G633.7

A

1005-4642(2017)10-0060-02

[責任編輯：尹冬梅]

2017-08-15

肖凱龍(1993-),男，廣東廣州人，華南師范大學物理與電信工程學院2016級碩士研究生,研究方向為物理課程與教學論.