洛伦兹力可视化演示仪

肖凯龙，庄浩丽

(华南师范大学 物理与电信工程学院，广东 广州 510006)

洛伦兹力可视化演示仪

肖凯龙，庄浩丽

(华南师范大学 物理与电信工程学院，广东 广州 510006)

对传统的“旋转的液体”的实验装置进行了改进. 实验装置中水槽里的饱和食盐水中的带电粒子在径向电场作用下获得沿半径方向的运动速度，此时在水槽下方加磁铁，在的作用下，液体受到沿着同心圆切向方向的洛伦兹力作用旋转起来，旋转的液体带动自制的“木马”旋转，即可实现无需投影直观观察液体的旋转实验.

洛伦兹力；旋转液体；磁场；电场

洛伦兹力的微观抽象性给学生带来较大的认知困难. 通过宏观现象认识微观本质是突破教学难点的有效手段. 但现有的洛伦兹力教具不能很好地演示出洛伦兹力的微观本质及其方向，而且价格较为昂贵. 基于此，笔者在文献[1]的基础上加以改进，设计出可探究洛伦兹力方向的教具，以增强洛伦兹力实验的演示效果.

1 实验装置与原理

实验装置如图1所示. 在水槽中倒入适量饱和食盐水，溶液中的带电离子便在径向电场的作用下获得沿半径方向运动的速度. 此时，再把磁铁推入水槽正下方，则原本沿径向运动的带电离子在磁场的作用下，受到沿着同心圆的切向方向的洛伦兹力，使液体旋转起来，从而带动“木马”的转动.

图1 水中旋转木马实验装置

2 实验装置的制作

1)用木板围成八边形的底座(也可围成其他形状，美观即可)，其中两面镂空，方便存放电池与磁铁. 再用PVC板剪裁1块等大的八边形的盖子，中间挖出刚好能够放置一次性塑料碗的圆孔.

2)将塑料碗剪掉适当高度，作为水槽.

3)取5cm长的2B铅笔笔芯，穿出水槽中心底部约1cm，并用热熔胶固定，作为中心电极；将铁丝绕成比水槽周长稍小的圆，作为外围电极. 在中心电极顶端固定一块插有绣花针的橡皮擦，以支撑“旋转木马”.

4)将4节1.5V的1号电池串联后放入在底座内(图2)，其中电源的正负极分别接中心电极的笔芯或外围电极的铁丝.

5)取一次性纸杯，保留相互垂直的4条边，每条边的宽度约0.5cm，长度以浸入液体不与水槽底部接触为宜，剪去剩余部分. 在每条边的底部垂直地插入大小相同的小铜片，以增加与液体切向受力的面积. 用红色卡纸和泡沫粒进行简单装饰，即做成“旋转木马”(图3).

图2 装置底座

图3 旋转木马

6)取2块直径为4cm、厚0.5cm的钕铁硼强磁，将其中一块强磁的N极固定于立方体泡沫的一面，将另一块强磁的S极固定于立方体泡沫的对立面，并分别用对应的蓝色或红色卡纸包装(图4).

图4 磁铁安放

3 教学演示

1)演示前，电源的一端与中心电极连接，另一端与外围电极断开，磁铁藏于远离水槽底部且不让学生看见. 向水槽中倒入适量饱和食盐水，将旋转木马平稳地放在绣花针上.

2)将电源的另一端与外围电极连接，此时木马仍保持静止. 然后将磁铁推入水槽正下方，针尖上的木马在液体的带动下突然从静止旋转起来，旋转的方向可根据左手定则进行判断.

3)改变中心电极和外围电极与电源的正负极的接法，可改变溶液中正负离子的运动速度的方向；调转磁铁，可改变磁场的方向. 通过上述操作，可方便地探究洛伦兹力的方向.

通过对“旋转的液体”的实验装置进行美化创新，该装置既可以作为洛伦兹力的新课导入实验，也可以作为探究洛伦兹力方向的实验装置. 这种低成本的实验装置既有利于实验教学的趣味引导，更能够创设发散思维的情境，培养学生创新的能力.

[1] 张玲. “旋转液体”实验制作及改进[J]. 物理实验，2017，37(2)：60.

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

Lorentzforcevisualizationdemonstrator

XIAO Kai-long， ZHUANG Hao-li

(South China Normal University， Guangzhou 510006， China)

The traditional “rotating liquid” experimental device has been improved. The charged particles in the saturated salt water were radially accelerated with radial electric field. At the same time, a magnet was added under the sink, and the liquid was subjected to a tangential motion under the action of the Lorentz force, then rotating liquid drove the “Trojan” to rotate. The experiment phenomena could be observed directly without the help of projector.

Lorentz force; rotating liquid; magnetic field; electric field

G633.7

A

1005-4642(2017)10-0060-02

[责任编辑：尹冬梅]

2017-08-15

肖凯龙(1993-),男，广东广州人，华南师范大学物理与电信工程学院2016级硕士研究生,研究方向为物理课程与教学论.