水槽式洛伦兹力演示仪

蒋金华,代 伟，杜 倩，王 漫

(西华师范大学 物理与空间科学学院,四川 南充 637002)

水槽式洛伦兹力演示仪

蒋金华,代 伟，杜 倩，王 漫

(西华师范大学 物理与空间科学学院,四川 南充 637002)

针对教材中洛伦兹力演示仪的不足，设计了水槽式洛伦兹力演示仪. 该演示仪通过观察水槽中漂浮物运动情况判定洛伦兹力方向和大小，并探究洛伦兹力F与磁感应强度B、带电粒子q以及其运动速度v之间的关系.

洛伦兹力；磁感应强度；带电粒子

目前，高中物理洛伦兹力教学中关于洛伦兹力方向的判断多数选用阴极射线管来进行探究，该设备较贵，由于工作电压较高所以演示操作比较危险，另外真空玻璃管也容易破碎. 洛伦兹力大小探究一般采用J24052洛伦兹力演示仪，该演示仪是通过观察导电液体的流动来定性探究演示洛伦兹力的大小和方向. 该仪器是通过液体的旋转演示洛伦兹力，但是由于液体是在圆柱形水槽中旋转，液体同时存在径向和切向运动，方向观察不清，不便研究磁场方向和洛伦兹力方向的关系. 为此对现有仪器的不足进行了改进，设计了水槽式洛伦兹力演示仪，可以简便直观地探究带电离子洛伦兹力的大小和方向.

1 水槽式洛伦兹力演示仪

水槽式洛伦兹力演示仪如图1所示，演示仪全部由有机玻璃板粘合而成，环形水槽的立板用有机玻璃条通过热弯机弯成型后，用有机玻璃粘合剂将立板与底板粘在一起，构成环形开口水槽. 整个仪器分为3部分：

(a)示意图

(b)实物图图1 水槽式洛伦兹力演示仪

1)带电离子，环形水槽用来盛装硫酸钠溶液，硫酸钠溶液在电离时会产生带电离子，演示时在溶液中放一小木球作为漂浮物，通过观测木球的运动情况判断洛伦兹力F的大小及方向.

2)电场，在环形水槽的一条边上安装电极，两电极分别选用长条形碳棒和铜棒，并将其固定在一有机玻璃块上，两电极分别与直流电源的正负极相连，直流电源电压可调，在其他条件一定的情况下改变电压，导电液中离子在洛伦兹力的作用下运动速度也会跟着发生改变，从而可以探究洛伦兹力F和离子运动速度v间的定量关系.

3)磁场，在环形水槽中电极的正下方放置可调节磁感应强度的励磁线圈，调节励磁线圈中的电流就能改变磁感应强度B，可以探究在其他条件一定时，洛伦兹力F与磁感应强度B间的定量关系.

2 演示仪操作步骤

1)将事先溶解的硫酸钠溶液倒入环形水槽中(其溶液的高度约为水槽高度的1/2)，在溶液中放入小木球作为漂浮物.

2)给励磁线圈通电，使其产生稳定磁场，磁极方向始终保持竖直向上或向下.

3)将电极两端接入电源，两电极此时会产生气泡，硫酸钠产生电离，电解质溶液中的运动离子在磁场中受洛伦兹力作用，带动液体定向移动. 改变电极电压大小，观察并测量木球的运动速度，即可探究洛伦兹力F和离子速度间的关系. 保持电极两端电压一定，改变励磁线圈的电流，观察并测量木球的运动速度，则可定量探究洛伦兹力F和磁感应强度B间的关系.

4)改变电极的电流方向或励磁电流的方向可探究洛伦兹力F的方向与磁感应强度B的方向、带电粒子q的运动方向之间的关系.

3 仪器优点

水槽式洛伦兹力演示仪有以下优点：

1)演示仪通过硫酸钠溶液中离子的定向运动带动液体流动，通过观察液面上小木球的运动方向和运动速度的快慢就可直观判断洛伦兹力方向和大小.

2)演示仪由有机玻璃制成，呈透明状态，便于学生观察.

3)改变溶液的密度，就可改变带电离子的q值，改变电极电压就可改变带电离子的运动速度v，改变励磁电流的大小就可改变B. 仪器操作简单，实验现象效果明显.

4)水槽做成敞口，既有利于电极产生的气体及时排出，也有利于加装溶液和改变溶液的密度.

5)电极安放在环形水槽的直线边上，克服原有仪器液体同时存在径向和切向运动的缺陷.

6)探究洛伦兹力F=qvB关系式时，可通过测量小木球的运动速度来定量探究F与q,v,B之间的关系，通过数据分析得出F=qvB关系.

4 结束语

洛伦兹力是高中新课程标准中的重要内容，在高中物理教学中有着重要的地位. 改进后的演示仪，对洛伦兹力关系式F=qvB中各物理量间的关系进行定性和定量探究. 演示仪的制作材料取材于实际生活，所创设的物理情境给学生的感觉既新颖又亲切，激发了学生的学习兴趣，培养了学生的动手能力，启发了学生的创新思维.

[1] 赵林媛，代伟，马兰. 洛伦兹力演示仪[J]. 物理实验,2016,36(6):44-46.

[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.

FlumetypeLorenzforcedemonstrator

JIANG Jin-hua, DAI Wei, DU Qian, WANG Man

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

Aiming at the deficiency of traditional Lorenz force demonstrator, flume type Lorenz force demonstrator was designed. The direction and strength of Lorenz force was judge by observing the flotage in the flume, and the relations between Lorenz force and magnetic field intensity, electronic charge and velocity were explored.

Lorenz force; magnetic field intensity; charged particle

G633.7

A

1005-4642(2017)10-0058-02

[责任编辑：尹冬梅]

2017-06-18

四川省研究生教育改革创新项目(川学位[2014]1号)

蒋金华(1992-)，男，四川广安人，西华师范大学物理与空间科学学院2017级硕士研究生，研究方向为学科教育.

代 伟(1964-)，男，四川遂宁人，西华师范大学物理与空间科学学院教授，学士，主要从事大学物理实验教学与研究.