自制教具

高静波

摘 要：“旋转的液体”实验源于教材的“做一做”栏目。本文指出原实验的不足之处并分析其原因，通过自制实验器材加以改进，并应用于教学实践，达到了预期实验效果。

关键词：物理实验改进；自制教具；洛伦兹力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）10-0034-2

某版本高中《物理》教材选修“3-1”第93页的“做一做”栏目介绍了一则有趣的实验（如图1）。在玻璃皿的中心放一个圆柱形电极，沿边缘内壁放一个圆环形电极，把它们分别与电池的两极相连，然后在玻璃皿中放入导电液体。如果把玻璃放在磁场中，液体就会旋转起来。这个实验形式新颖，能引起学生浓厚的学习兴趣。可以用来验证左手定则，也可以用来探究洛伦兹力的方向。可以用作演示实验，也可以用作学生分组实验。

1 改进前的实验

1.1 实验原理

如图1，玻璃皿中盛有氯化钠溶液，溶液中有自由电荷（Na+和Cl-）；玻璃皿中心圆柱形金属接电源负极，内壁附金属环接电源正极，接通电源，两电极间存在辐向电场，自由电荷在电场力的作用下运动起来。将玻璃皿置于蹄形磁铁的磁场中，运动的正负离子会受到切向的洛伦兹力，溶液因此开始旋转。离子的实际运动十分复杂，给学生讲解时需点到为止，这里不作赘述。

1.2 原实验的不足之处

①圆周运动的“误导”

本实验中，学生通过观察液体的旋转，判断离子所受洛伦兹力的方向。学生在实验前已经学习了“物体做圆周运动是因为受到了指向圆心的力提供向心力”，这会使学生误认为“旋转的离子受洛伦兹力应指向圆心”，要纠正这个错误并不容易，实验效果打了折扣。

②溶液变浑浊

实验中，分别尝试用常见金属铁、铜、铝作电极，玻璃皿中盛NaCl溶液，通电后溶液会变浑浊，通电时间越长越浑浊。原因是通电后金属电极发生氧化还原反应。

用铁作电极发生的主要总反应方程为：

生成物中Fe（OH）2为白色沉淀，部分会被氧气氧化生成红褐色絮状物Fe（OH）3。

用铜作电极发生的主要总反应方程为：

生成物中Cu（OH）2为蓝色沉淀，实际反应过程还会生成少量砖红色絮状物Cu2O。

我们可以推理出，如果用Al作电极也会生成沉淀：

可见，如果用上述常见金属作电极，会发生化学反应形成沉淀，使溶液变浑浊，影响实验效果。生成不导电的氧化物附着在电极上，也会对实验产生影响。另外，实验后生成的沉淀附着在装置上很难清理，金属电极溶解变少，都不利于装置的反复利用。

③电解NaCl溶液产生有毒氯气

实验中两极有气泡产生，原因是电极材料不纯，发生反应

生成的Cl2溶于水使液体变黄，当反应剧烈时，氯气溢出，如果被学生吸入体内会中毒。笔者因反复实验，吸入氯气后呼吸道粘膜受损，引起几天呼吸道不适。

2 实验改进

2.1 实验改进的思路

为使学生摆脱向心力的“误导”，改圆形器皿为“回”字形器皿，研究离子的直线运動。为防止两极发生氧化还原反应形成沉淀，用惰性材料石墨纸作电极材料。为防止电解过程生成有毒气体，改用稀NaOH溶液。

2.2 改进后的实验装置

设计“回”字型水槽（如图2、3、4所示），水槽用透明亚克力板粘成，水槽架离桌面2 cm，下面可放矩形磁铁。水槽长边用白纸贴合标记为研究的指定区域。指定区域两侧的水槽内壁上粘有长条形2 mm厚石墨纸作为电极，连接电源的鳄鱼夹可以夹在石墨纸上。实验时在槽中盛装稀NaOH溶液，石墨电极与学生电源相连，接通电源后，两电极间正负电荷（Na+和OH-）在电场力作用下开始运动；这时在水槽下面放一个9 cm×6 cm的强磁铁，可以观察到所研究的直线区域内的溶液从静止开始运动起来，溶液运动方向就是洛伦兹力的方向。

2.3 实验改进后的优点

1.“回”字型的直线区域内，溶液是从静止开始做直线运动，学生容易判断出溶液运动方向即洛伦兹力方向，摆脱了原实验中圆周运动、向心力的干扰。

2.石墨电极化学性质稳定，不会发生化学反应生成沉淀，实验效果好。另外，网购石墨纸非常廉价，导电性好。

3.电解稀NaOH溶液的总反应方程为

不会生成有毒有色气体。经反复试验，稀NaOH溶液不会对皮肤造成烧伤，可放心实验。但是，要提醒学生实验后要洗手，注意不要将溶液弄进眼睛。

4.实验时采用9 cm×6 cm的磁铁，面积大，磁场分布更均匀。

5.NaOH溶液透明，不易其观察运动，可在溶液上洒少量蓝色塑料碎末作为参照物。

实验时，交换电源正负极，电荷运动方向改变，洛伦兹力方向改变，溶液运动方向改变。将磁铁翻转，磁场方向改变，洛伦兹力方向改变，溶液运动方向也改变。笔者利用改进后的装置，在公开课“运动电荷在磁场中受到的力”中，进行学生分组实验，验证“洛伦兹力的方向遵循左手定则”，达到了预期的实验效果。

（栏目编辑 李富强）endprint