洛仑兹力实验教学演示仪的改进

陈冀轩，成建群，林立燕

(佛山科学技术学院 物理与光电工程学院，广东 佛山 528000)

洛伦兹力是高中物理的重要内容，常常也是学生的学习难点，若在教学时能进行洛仑兹力的演示，会利于学生理解. 但现在市售的常规洛仑兹力演示仪价格普遍比较高. 目前所使用的洛仑兹力演示仪[1-4]只能验证洛仑兹力的存在，而无法定性地探究洛仑兹力f与带电粒子运动速度v、磁感应强度B三者之间的关系，影响了课堂教学效果. 为了将微观现象宏观化，使用了类似“旋转木马的装置”[5]，但该装置制作复杂，不适合课堂教学.

针对上述实验装置的缺陷，在原有的洛仑兹力演示仪[6]的基础上进行了改进，不仅降低了实验设备的成本，而且还可以直观地看到粒子在受到洛仑兹力之后的运动变化过程，从而可以定性地探究洛仑兹力与其他物理量的关系.

1 实验仪器介绍

1.1 实验原理

带电粒子在磁场中做定向移动，且运动方向与磁场方向垂直，就会受到洛仑兹力的作用，并且洛仑兹力的大小满足

f=qvB.

(1)

1)自制的洛伦兹力实验教学演示仪如图1所示，实验前，先配置好一定浓度的Na2SO4溶液，然后倒入仪器当中，并滴入少量的无色酚酞溶液.

图1 自制洛伦兹力实验教学演示仪图

2)仪器中的圆形容器为电解槽，中心的铜柱为电解槽阴极，容器的四周用铜片绕制形成阳极，启动电解槽开关后，电解产生大量的OH-，这时OH-在电场力的作用下，开始向阳极做定向运动，溶液中的酚酞遇到OH-会变红，且慢慢地向外扩散.

3)在容器周围绕制多层线圈，当启动线圈开关时，线圈通入直流电，产生竖直方向垂直于粒子运动方向的磁场B，使得粒子(OH-)受到洛仑兹力的作用而发生旋转，速度方向与粒子定向移动方向相反，所以可以看到红色溶液部分旋转起来.

4)通过改变电流的方向可以改变磁场的方向，可以验证洛仑兹力的方向符合左手定则；同时可以通过改变可控变压器的旋钮，改变通入线圈和电解槽的电流大小，达到定性探究洛仑兹力影响因素的目的.

5)装置可以使用投影仪将实验现象投影到屏幕上，让实验现象更加直观.

1.2 仪器的制作方法

1)外壳的制作. 外壳使用定制透明的亚克力板，包括外包围的亚克力外壳和中心的圆柱形亚克力电解槽.

2)电解槽与电解电路的制作. 电解槽电路如图2所示. 在圆柱形的电解槽中心钻孔，将金属长螺钉从底部插入，插到底后上紧螺母，然后用热熔胶将缝隙全部封紧，作为阴极，再用铜板绕圆环，贴紧电解槽内壁，作为阳极.

图2 电解槽电路图

若产生明显的实验现象，电解槽两端应当施加至少30 V的直流电压，实验使用了220 V AC转36 V DC的直流变压器对220 V电压进行降压和整流，再输入到电解槽. 其中，正极接电解槽的阳极，也就是圆环，阴极接螺钉，作为阴极.

现在大部分220 V交流转直流的变压器内部都有调压旋钮，因此可不用额外购买直流调压器，从而简化了仪器的内部结构，降低了设备成本.

3)线圈与线圈电路的制作. 线圈电路图如图3所示，线圈使用0.3 mm的漆包线制作，在电解槽周围密绕3 000～4 000匝即可. 而线圈通入的电流需要使用220 V AC转110 V DC的变压器. 此处用于监控电流的电流表需要使用毫安表，因为线圈的阻抗较大. 如果想让实验现象更加明显，可以直接接入市电，然后使用全桥整流之后直接输入线圈.

图3 线圈电路图

4)磁场换向与电流换向电路. 完整的换向电路图如图4所示，使用2个双刀双掷开关即可完成换向，这里使用了TYPE 1322摆臂开关换向.

图4 磁场与电流换向电路图

2 实验步骤以及注意事项

1)把事先调配好的Na2SO4溶液倒入电解槽中，用温水调配溶液，能让溶液快速达到饱和并产生更多的离子. 特别需要注意的是，不能使用NaCl溶液进行实验，否则会产生有毒的氯气；其次需要控制电流在安全范围之内，溶液的浓度越高，越容易烧坏导线.

2)滴入酚酞后，启动电解槽，可以看到溶液从中心螺钉处慢慢开始变红，然后向外扩散(如图5所示)，这是因为Na2SO4溶液在电解时产生大量的OH-，让溶液变红；紧接着OH-在电场的作用下开始朝着阳极运动，因此可以看到红色部分慢慢向外扩散.

图5 红色区域不断向外扩散图

3)启动磁场开关，可以观察到溶液从向外扩散时并伴随绕中心旋转，这是因为在施加竖直磁场之后，定向移动的OH-受到洛仑兹力的作用，而发生旋转，因此与上一步形成对比，证明洛仑兹力的存在.

4)增大电解槽的电压，保持线圈电压不变，可以观察到，溶液旋转的速度更快了，而电压越大，粒子运动的速度就越快，因此可以证明粒子运动的速度和洛仑兹力的大小有关. 粒子的运动速度越快，粒子受到的洛仑兹力就越大.

5)让学生观察溶液的旋转方向，根据洛仑兹力和安培力的关系(洛仑兹力为安培力的实质)，提出“洛仑兹力的方向同样符合左手定则”的猜想，并尝试用左手定则判断洛仑兹力的方向，从而判断溶液的旋转方向；然后更换溶液，再次实验，观察实验现象，验证猜想是否正确，最终证明，洛仑兹力的方向和安培力符合左手定则.

6)增大线圈中通入的电流，保持电解槽的电压不变，可以观察到溶液旋转速度增大，意味着洛仑兹力的大小也随之增大. 因此可以证明，磁场大小同样也会会影响洛仑兹力的大小.

3 结束语

改进的洛伦兹力实验教学演示仪价格低廉，使用简单，制作难度小，展示方便；还可以通过投影仪进行投影，教学效果较好. 同时，它能将抽象的物理概念转化为生动的物理实验现象，将抽象的洛仑兹力转化为容易容易观察到的实验现象，让学生获得足够的感性认识；并且它还可以定性地探究与洛仑兹力的大小有关的因素，方式更加灵活，通过实验现象引导学生进行积极思考，很容易得出物理规律. 该实验将物理知识与化学知识交叉融合，更能引起学生的学习兴趣.