一种环形“洛伦兹力演示器”的制作

黄 珏 黄正玉

(1. 深圳实验学校，广东 深圳 518028； 2. 深圳市第二实验学校，广东 深圳 518021)

一种环形“洛伦兹力演示器”的制作

黄 珏1黄正玉2

(1. 深圳实验学校，广东 深圳 518028； 2. 深圳市第二实验学校，广东 深圳 518021)

洛伦兹力是指磁场对运动电子或离子的作用力．本装置用于显示磁场对溶液中运动离子的洛伦兹力．电解质溶液中的运动离子在磁场中受洛伦兹力,带动整个液体的定向移动．本装置通过透明圆形轨道中导电液上的漂浮物的运动,展示磁场对离子洛伦兹力的大小和方向规律．

1 实验室演示仪的不足

一般学校拥有的洛伦兹力演示器为“JY219-87洛伦兹力演示器”．它能演示电子在匀强磁场及电场作用下的运动规律,并能测定电子的荷质比．但设备昂贵,一般均在3000～4000元．仪器要求真空(或低压气体)普通玻璃管,容易破碎．

还有一种就是液体的旋转演示洛伦兹力,但是由于液体在同一个柱形水槽中旋转,液体同时存在径向和切向运动,方向观察不清,不方便研究磁场方向和洛伦兹力方向的关系．

2 自制“环形洛伦兹力演示器”

(1) 该项目改进的创新点或改进点.

透明、环形管道、悬浮球、低压安全、成本低．

① 可视性:通过环形透明管道中的悬浮球清晰展示洛伦兹力的大小和方向规律,环形管道内液体流向一致．无需投影,可在教室直接演示,演示效果良好．

② 安全性:相比于普通玻璃,本装置的有机玻璃更安全．相比于高压电子枪,低压4-16V电源更加安全,如果改由充电电池,携带更方便．

③ 经济性:相比数千元的定价,本仪器只需几十元．方便学生参与动手制作．

(2) 结构原理和实物介绍(如图1，2).

仪器由环形管道、强磁铁数枚、电极、电流表、控制开关、直流2-16V电源等组成．本仪器采用带电离子流来作实验,在直流电场作用下,钠离子Na+由正极流向负极的定向移动,在强磁铁磁场作用下,磁场对作定向移动的Na+产生洛伦兹力,使得电解液在槽内沿环形槽流动．透明装置便于学生在教室演示直接观察．

(3) 制作材料.

4根透明有机玻璃管外径4cm长15cm,内径4cm的直角弯头4个,铜电极2个,碳电极2个,直径4cm柱形强磁铁2枚．

(4) 实物制作.

将透明有机玻璃管和弯头连成闭合环状,在其一边中间正上方开口．在开口处两侧安装铜电极和碳电极．

图2

(5) 使用方法.

① 将电极插入透明环形管道开口处两侧,与直流电源相连,电源电压调为6V．在电极所在位置的环形玻璃管底部放上强磁铁,保证磁极竖直向上(或向下)．实际工作电流约为150mA,磁铁磁场约为30mT.

② 在环形玻璃管里加入配制好的硫酸钠溶液,液面高度为环形玻璃管直径的1/3至2/3．在环形玻璃管中放入悬浮塑料球,用于显示液体的流动．

③ 打开开关,此时指示灯亮,仪器开始工作,通过悬浮球观察导电液沿环形玻璃管流动,改变直流电压观察流速变化,改变强磁铁极性或电源极性,观察液体流动方向的改变．

(6) 注意事项.

① 电源电压调节应从低往高调．

② 实验时,电解液随着实验时间的增加会发热,当电解液太热时可关断电源待冷却后,再做实验．

③ 透明环形管道为塑料制品,请勿与有机溶剂接触,以免损坏环形管道的光洁度．

④ 实验完成后,用清水清洗电极和悬浮球和玻璃管道,待下次可正常使用．仪器使用完毕后,及时切断电源,清洗后将其放置在干燥、阴凉、无腐蚀气体的通风之处．

2016-07-09)