利用自制教具探究磁場對運動電荷的作用

曹友燉

摘 要：根據新課標培養學生核心素養的理念，利用簡易自制教具進行實驗探究，往往可觀察到明顯的實驗現象，從而培養學生的科學思維與科學探究能力;本文介紹通過自制教具對影響洛倫茲力大小方向的因素進行定性探究。

關鍵詞：自制教具;實驗探究;洛倫茲力

“磁場對運動電荷的作用”相關知識較為抽象，因此通過實驗化抽象為形象，幫助學生掌握相關的物理知識顯得很有必要。傳統教學通常利用連接高壓電源的陰極射像管電子束在磁場中的偏轉進行實驗探究，由于儀器的短缺，只能教師進行演示，無法進行分組實驗，學生沒能親身動手操作和體會，實驗的探究性和趣味性受到影響;筆者利用一些簡易的材料自制實驗教具，彌補儀器短缺問題，讓學生進行分組實驗探究，提升實驗探究效果。

1.自制實驗教具介紹

用培養皿裝少量碳酸氫鈉（小蘇打）溶液，加上由培養皿中心指向器壁的發散電場，陰陽離子將沿半徑方向定向移動，再將溶液置于豎直方向的磁場中，溶液將發生轉動;通過溶液轉動的快慢和轉動的方向來探究影響洛倫茲力大小方向的因素。

2.制作方法及原理

按照圖1所示，把一厘米寬的鐵皮貼在培養皿的內壁上，倒入少量的小蘇打溶液，輕輕撒上稍許痱子粉，使其漂浮在溶液表面，培養皿的中心插入石墨條，培養皿下方墊上磁鐵，并將電源正負極分別連接到石墨和鐵皮，構建實驗裝置。

該裝置的實驗原理：碳酸氫鈉水解為Na+和HCO3-，為溶液提供了陰、陽兩種離子。用石墨條插入培養皿的中心，石墨接電源正極，鐵皮接電源負極，能夠形成由石墨指向鐵皮的扇形電場。在電場力作用下，陽離子將沿半徑方向由石墨向鐵皮運動，陰離子將由鐵皮向石墨運動，形成運動電荷。培養皿下方墊上磁鐵（N極向上）如圖2所示，運動的陽離子受到垂直于半徑順時針方向的洛倫茲力，陰離子也受到順時針方向的洛倫茲力。微觀粒子的運動情況，可以通過痱子粉的運動直觀展現出來，觀察到溶液順時針轉動的實驗現象。

3.實驗案例——教學中教具的應用

教學實施過程中，教師可以準備好材料進行分組探究，逐步引導實驗的操作環節，學生在探究過程中循序漸進的揭示其中的物理規律，提升學生探究學習效果。將“磁場對運動電荷的作用”的分組實驗探究內容進行拆解，可以先探究磁場對運動電荷是否有力的作用，建立深入探究的理論基礎;再從影響洛倫茲力方向和大小兩個維度進行探究，提高學生物理知識建構的準確性和全面性。

探究一：磁場對運動電荷是否有力的作用

實驗1：石墨與鐵皮接通電源，培養皿下方不墊磁鐵與墊磁鐵兩種不同情況下，實驗現象有什么區別？

現象1：不墊磁鐵溶液不會轉動;墊上磁鐵后溶液轉動了。

結論1：接通電源時，陰陽離子沿半徑方向定向移動，溶液順時針轉動，說明離子受到了順時針方向的力，即磁場對運動的電荷有力的作用。

探究二：影響洛倫茲力方向的因素

實驗2：如圖2所示，第一步，石墨接電源正極，鐵皮接負極，磁鐵N極朝上，觀察溶液轉動方向;第二步，改變電源正負極，觀察溶液的轉動方向;第三步，改變磁鐵方向（S極朝上），再觀察溶液轉動方向。

現象2：第一步溶液順時針方向轉動，第二步逆時針方向轉動，第三步順時針方向轉動。

結論2：無論是改變電流方向（電荷運動方向）還是改變磁場方向，溶液轉動方向都會發生改變，由此可知洛倫茲力方向與電荷運動方向、磁場方向有關。

探究三：影響洛倫茲力大小的因素

實驗3：如圖2所示，第一步，墊一塊磁鐵，石墨與鐵皮連接一節，兩節，三節干電池的情況下，分別記錄20s時間內溶液轉動的圈數;第二步，石墨與鐵皮連接一節干電池，墊一塊，兩塊，三塊磁鐵的情況下，再分別記錄20s時間內溶液轉動的圈數。

現象3：第一步溶液轉動的圈數分別約為2.5圈，3.8圈，4.5圈;第二步溶液轉動的圈數分別約為2.5圈，3.2圈，3.7圈。

結論3：增加電池節數和磁鐵塊數都能提高轉數，說明電荷運動速度越大，磁場越強，洛倫茲力也越大。

4.教具創新之處及教學作用

該教具材料簡易，制作簡單，實驗現象明顯，便于分組，讓學生親身體會探究過程，帶來了更加深刻的實驗體驗，培養學生的科學思維和科學探究能力，有助于高中物理核心素養的落實，同時也增添了課堂學習的趣味性。通過此教具，化微觀的洛倫茲力為宏觀的溶液轉動進行觀察，實驗圍繞“溶液轉動”展開對“磁場對運動電荷的作用”深入探究，突破教學的重難點，讓抽象的物理問題變得更加形象直觀，學生在學習中積極的思考猜想，并通過親自動手實驗進行探究驗證，避免了空洞乏味的講解，幫助學生從不同維度認識磁場對運動電荷的作用。另外，“溶液轉動”為后面的帶電粒子在勻強磁場中的圓周運動起到一定的鋪墊作用，對學生后繼章節的學習產生積極的影響。

5.結語

自制教具的教學價值并不單單體現在這一個課時的教學中，教師只要用心開發定能將各式各樣的自制教具應用到不同章節教學當中，使自制教具更好的走進物理教學，讓學生“動”起來，讓課堂“活”起來。

參考文獻

[1]呂麗鳳.以自制教具提升物理實驗教學質量[J].教師，2018（03）：23-25.

[2]周杰.自制教具在高中物理課堂教學中的使用[J].名師在線，2019（06）：75-77.