洛伦兹力演示仪

赵林媛，代　伟，马　兰

(西华师范大学 物理与空间科学学院，四川 南充 637002)

洛伦兹力演示仪

赵林媛，代伟，马兰

(西华师范大学 物理与空间科学学院，四川 南充 637002)

摘要：对新课标中“洛伦兹力演示仪器”进行了改进，改进后的装置能够探究洛伦兹力F与磁场B、带电粒子q以及带电粒子运动速度v之间的关系，借助激光器能让学生更好地看到带电粒子所受洛伦兹力的情况、演示装置结构简单，操作方便，演示效果好，能提高洛伦兹力的课堂教学质量，激发学生学习兴趣.

关键词：洛伦兹力;磁场；带电粒子

在高中物理电磁学中洛伦兹力占据重要地位. 在教学过程中发现学生容易将安培力与洛伦兹力之间的关系搞混淆，教师在讲解时需要让学生理解安培力是洛伦兹力的宏观表现，要突出强调只有在导体静止时洛伦兹力的合力才是导体所受安培力，因此学生对洛伦兹力的理解必须明确才能理清安培力与洛伦兹力之间的关系. 由于洛伦兹力比较抽象，所以演示洛伦兹力相关的实验演示仪器一直被大家重视. 洛伦兹力是磁场对带电粒子的作用力，一般难以直接观察. 过去一般采用阴极射线管结合磁场，利用电子射线的变化来验证洛伦兹力，但这样只能演示带电粒子在磁场中受力的作用，而不能定性证明洛伦兹力F与磁场B、带电粒子q以及带电粒子速度v之间的关系. 演示效果虽然明显，但学生对影响洛伦兹力的相关因素理解却不够深刻. 为此作者对现有的洛伦兹力演示仪进行了改进，改进后的仪器更适于洛伦兹力教学，也实现了新课程标准要求学生对问题的理解“不仅要知其然，还要知其所以然”的教学目的.

1现有洛伦兹力演示仪

现阶段高中物理中洛伦兹力教学一般用阴极射线管或图1所示的J24052洛伦兹力演示仪进行演示，该演示仪是通过观察导电液的旋转情况来演示带电离子受到洛伦兹力的作用，该仪器结构尺寸偏小，演示时仪器只能平放，实验现象不易观察. 现已有的一些洛伦兹力演示仪器，如参考文献[1]中所述的演示装置，它相对于传统阴极射线管进行了改进，使用的是长条形的玻璃管，同时增加了演示平台和内置的控制盒，结构虽然简单，但在课堂演示过程中，学生的观察注意力往往被电子束吸引，演示效果大打折扣.

图1　J24052洛伦兹力演示仪

2洛伦兹力演示仪的改进

针对现有洛伦兹力演示仪存在的不足，根据新课程标准对洛伦兹力演示实验仪进行了改进，改进后的洛伦兹力演示仪的结构如图2所示. 仪器有上下2个盛水槽，下水槽中安放一水泵，可将下水槽中的导电液抽到上水槽中，上水槽中安放了1根溢水管，通过改变溢水管的高度就可改变导电水流流出时的流速v. 在上水槽上还放置了1只红色激光器，将激光器对准出水管的中心，这样从出水管流出的水流加上红色激光更便于观看，当导电液在磁场中受到洛仑磁力时导光水流就会发生偏转，红色激光也将随着水流偏转，这样就可看到一条红色偏转水流，从而很好地演示导电液受到洛仑磁力作用. 为了得到变化的磁场，仪器使用了2个对称安装的方形电磁线圈来建立磁场，这样设计一是保证导电水流下落的区域磁场均匀，二是通过调节励磁电流的大小可改变作用于导电水流的磁感应强度B. 另外通过改变加到导电液中电流的大小或带电液的浓度可改变导电液中带电离子的数量从而改变q.

图2　洛伦兹力演示仪

3演示仪的使用

首先将一定浓度的导电液倒入下水槽中，水深大约为下水槽高度的2/3，调节好上水槽溢水管的高度，然后开启水泵将下水槽的带电液抽到上水槽中，当溢水管开始溢水时，从出水管流出的水流的流速v保持稳定. 开启激光器，将励磁线圈通电，同时给上下溢水槽通电. 当导电水流从出水管流出时会进入励磁线圈建立的磁场中，水中的带电离子在磁场中就会受到洛仑兹力的作用，水流在该作用下发生偏转，由于全反射红色激光也随着水流发生偏转，红色激光也跟着水流发生偏转，所以这时在仪器前方就会看到1条弯曲的红色水流，从而证明运动的带电离子在磁场中会受到洛仑磁力的作用. 增大励磁电流会观察到红色水流偏转角度增大，说明磁场越强带电离子所受洛仑兹力越大，改变励磁电流的方向，红色水流的偏转方向也跟着改变，通过观察到的实验现象说明洛仑兹力与B的大小和方向有关；增大接入导电液的电流或增大导电液的浓度会观察到红色水流的偏转角度也更大，该实验现象说明洛仑兹力的大小与q有关，q越大洛仑兹力就越大；调节溢水管的高度，溢水管越高水流的流速v就越大，这时可观察到红色水流偏转更大，此实验现象说明洛仑兹力的大小与v有关，v越大洛仑兹力就越大.

4实验装置的优点

改进后的洛伦兹力演示仪有如下优点：

1)借助激光器观察红色的水流的偏转角度来判断洛仑兹力的大小和方向，演示效果明显，观察容易；

2)演示仪通过改变励磁电流来改变B的大小和方向，调节简单方便；

3)通过改变导电液的浓度或接入导电液的电流大小来改变带电离子的q值，方法简单效果好；

4)通过调节溢水管的高度来改变水流的流速进而改变带电离子的运动速度v，设计巧妙.

5结束语

中学物理中洛伦兹力演示是电磁学中重要的实验，改进的洛伦兹力演示仪能很好地演示洛仑兹力与B,v,q的关系，同时仪器结构简单，制作成本低，操作简便，演示效果明显，使学生能直观地观察到带电离子所受的洛仑兹力. 另外该仪器的使用也能对培养学生的创新意识和能力提供一些启示和帮助.

参考文献：

[1]林衍斌，郭年粉，石东方. 新课标下的高中物理探究式实验教学 [J]. 物理实验，2008，28(3):23-25.

[2]周亮. 洛伦兹力宏观演示仪的制作[J]. 中学物理(高中版),2011,29(5):25-26.

[3]刘庭华. 洛伦兹力宏观演示仪的制作可以更简单[J]. 中学物理(高中版),2012,30(1):35.

[责任编辑：尹冬梅]

Lorentz force demonstration instrument

ZHAO Lin-yuan, DAI Wei, MA Lan

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

Abstract:The new curriculum standard “Lorentz force demonstrating instrument” was improved improved device can explore Lorentz force F and magnetic field B, Q of charged particles and charged particle velocity V between, with the aid of the laser can make students better to see Lorentz force of charged particles, instrument has the advantages of simple structure, convenient operation, good demonstration effect, to improve the teaching quality of Lorentz force, stimulates the student to interest in learning to help, is worthy to be popularized.

Key words:Lorenz force; magnetic field; charged particle

收稿日期：2016-01-18

基金项目：四川省研究生教育改革创新项目(No.445001)

作者简介：赵林媛(1993-)，女，四川茂县人，西华师范大学物理与电子信息学院学科教育(物理)2015级硕士研究生，主要从事学科教育研究.

通信作者：代伟(1964-),男,四川遂宁人，西华师范大学物理与电子信息学院教授，学士，主要从事大学物理实验教学与研究.

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)06-0044-03