一種模擬電場(chǎng)線(xiàn)的新方法
——用高錳酸鉀描繪電場(chǎng)線(xiàn)

石曉明

(寧波外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，浙江 寧波 315010)

高中階段靜電場(chǎng)的內(nèi)容是一個(gè)學(xué)習(xí)難點(diǎn),其中一個(gè)主要原因是電場(chǎng)既無(wú)法像力被人為直接感知,也無(wú)法如磁場(chǎng)可以被小磁針的方向直觀(guān)地表現(xiàn)．

在靜電場(chǎng)教學(xué)中,我們考慮采用高錳酸鉀(KMnO4)作為媒介,在高壓作用下直接產(chǎn)生電場(chǎng)間的電場(chǎng)線(xiàn)模擬圖像．而這一過(guò)程也可以作為高中階段物理和化學(xué)跨學(xué)科教學(xué)研究的探索．

1 預(yù)備知識(shí)

(1) 學(xué)生已初步了解高錳酸鉀的特點(diǎn)(強(qiáng)氧化劑,紫紅色晶體,可溶于水);并對(duì)于電解液的配置和機(jī)理基本明晰．

(2) 學(xué)生明確帶電粒子在電場(chǎng)中將會(huì)受力并運(yùn)動(dòng)．

2 材料選擇

我們選擇高錳酸鉀的原因是其色彩鮮艷,非常便于觀(guān)察,且只需要極少量即可．同時(shí),也是相對(duì)安全的化學(xué)試劑．實(shí)驗(yàn)的一個(gè)難點(diǎn)是高錳酸鉀較容易溶于水,成為溶液后將無(wú)法肉眼觀(guān)察其中的高錳酸根離子運(yùn)動(dòng),所以溶液的濃度將是關(guān)鍵．考慮到需要背景更好地呈現(xiàn)出顏色的變化,我們嘗試使用濾紙．另外,由于需要讓高錳酸根離子運(yùn)動(dòng),我們考慮利用氯化鈉溶液(0.5%)．最后,實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)恒壓電源產(chǎn)生電場(chǎng)．

3 研究過(guò)程

在具體操作過(guò)程中,開(kāi)始學(xué)生嘗試?yán)闷胀V紙進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將濾紙放于鹽水中,然而發(fā)現(xiàn)放入高錳酸鉀后立即成為溶液,無(wú)法呈現(xiàn)圖像．后續(xù)調(diào)整中,教師和學(xué)生一起考慮采用更為輕薄的咖啡濾紙浸潤(rùn)氯化鈉溶液后進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這樣即保證了高錳酸鉀可以部分溶解于水中進(jìn)而在電場(chǎng)作用下在濾紙上運(yùn)動(dòng)留下印跡,又不會(huì)完全成為溶液無(wú)法觀(guān)察．通過(guò)不斷嘗試,我們發(fā)現(xiàn)220 V以上的電壓可以產(chǎn)生明顯的效果(這個(gè)過(guò)程中,教師需要親自陪同學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn),防止觸電危險(xiǎn))．

3.1 具體裝置和操作如下(圖1-圖6)

圖1 直流高壓電(600 V)

圖2 氯化鈉浸潤(rùn)后的咖啡濾紙放置于玻璃皿后接入電極

圖3 打開(kāi)電源后，撒入高錳酸鉀微粒

圖4 10 s后，明顯看到在濾紙上有高錳酸根離子運(yùn)動(dòng)的紫紅色軌跡

圖5 20 s后，可以看到有更為明顯的紫紅色運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6 30 s后，產(chǎn)生了明顯的類(lèi)似于電場(chǎng)線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡

3.2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

考慮到實(shí)驗(yàn)中高錳酸鉀非常容易溶解,我們研磨了更為細(xì)小的高錳酸鉀顆粒,并且利用兩根細(xì)針作為電源的正負(fù)極,30 s后可以獲得如圖7的圖像,此圖像和課堂上提到的等量異種點(diǎn)電荷電場(chǎng)線(xiàn)分布(圖8)已經(jīng)非常接近．

圖7

圖8

利用同樣的方式,我們還可以獲得直觀(guān)的點(diǎn)電荷的電場(chǎng)線(xiàn)分布模擬圖像(如圖9).

圖9

通過(guò)實(shí)驗(yàn),我們看到利用高錳酸鉀顆粒,我們可以非常好地模擬電場(chǎng)線(xiàn)的分布情況,這與我們?cè)诤竺胬眯〈裴樐M磁感線(xiàn)非常類(lèi)似．學(xué)生在這個(gè)研究過(guò)程中,即獲得了明顯的電場(chǎng)線(xiàn)分布模擬圖像,又利用了已學(xué)的化學(xué)知識(shí),是一個(gè)非常精彩的探索過(guò)程．