利用自制教具探究磁场对运动电荷的作用

曹友炖

摘 要：根据新课标培养学生核心素养的理念，利用简易自制教具进行实验探究，往往可观察到明显的实验现象，从而培养学生的科学思维与科学探究能力;本文介绍通过自制教具对影响洛伦兹力大小方向的因素进行定性探究。

关键词：自制教具;实验探究;洛伦兹力

“磁场对运动电荷的作用”相关知识较为抽象，因此通过实验化抽象为形象，帮助学生掌握相关的物理知识显得很有必要。传统教学通常利用连接高压电源的阴极射像管电子束在磁场中的偏转进行实验探究，由于仪器的短缺，只能教师进行演示，无法进行分组实验，学生没能亲身动手操作和体会，实验的探究性和趣味性受到影响;笔者利用一些简易的材料自制实验教具，弥补仪器短缺问题，让学生进行分组实验探究，提升实验探究效果。

1.自制实验教具介绍

用培养皿装少量碳酸氢钠（小苏打）溶液，加上由培养皿中心指向器壁的发散电场，阴阳离子将沿半径方向定向移动，再将溶液置于竖直方向的磁场中，溶液将发生转动;通过溶液转动的快慢和转动的方向来探究影响洛伦兹力大小方向的因素。

2.制作方法及原理

按照图1所示，把一厘米宽的铁皮贴在培养皿的内壁上，倒入少量的小苏打溶液，轻轻撒上稍许痱子粉，使其漂浮在溶液表面，培养皿的中心插入石墨条，培养皿下方垫上磁铁，并将电源正负极分别连接到石墨和铁皮，构建实验装置。

该装置的实验原理：碳酸氢钠水解为Na+和HCO3-，为溶液提供了阴、阳两种离子。用石墨条插入培养皿的中心，石墨接电源正极，铁皮接电源负极，能够形成由石墨指向铁皮的扇形电场。在电場力作用下，阳离子将沿半径方向由石墨向铁皮运动，阴离子将由铁皮向石墨运动，形成运动电荷。培养皿下方垫上磁铁（N极向上）如图2所示，运动的阳离子受到垂直于半径顺时针方向的洛伦兹力，阴离子也受到顺时针方向的洛伦兹力。微观粒子的运动情况，可以通过痱子粉的运动直观展现出来，观察到溶液顺时针转动的实验现象。

3.实验案例——教学中教具的应用

教学实施过程中，教师可以准备好材料进行分组探究，逐步引导实验的操作环节，学生在探究过程中循序渐进的揭示其中的物理规律，提升学生探究学习效果。将“磁场对运动电荷的作用”的分组实验探究内容进行拆解，可以先探究磁场对运动电荷是否有力的作用，建立深入探究的理论基础;再从影响洛伦兹力方向和大小两个维度进行探究，提高学生物理知识建构的准确性和全面性。

探究一：磁场对运动电荷是否有力的作用

实验1：石墨与铁皮接通电源，培养皿下方不垫磁铁与垫磁铁两种不同情况下，实验现象有什么区别？

现象1：不垫磁铁溶液不会转动;垫上磁铁后溶液转动了。

结论1：接通电源时，阴阳离子沿半径方向定向移动，溶液顺时针转动，说明离子受到了顺时针方向的力，即磁场对运动的电荷有力的作用。

探究二：影响洛伦兹力方向的因素

实验2：如图2所示，第一步，石墨接电源正极，铁皮接负极，磁铁N极朝上，观察溶液转动方向;第二步，改变电源正负极，观察溶液的转动方向;第三步，改变磁铁方向（S极朝上），再观察溶液转动方向。

现象2：第一步溶液顺时针方向转动，第二步逆时针方向转动，第三步顺时针方向转动。

结论2：无论是改变电流方向（电荷运动方向）还是改变磁场方向，溶液转动方向都会发生改变，由此可知洛伦兹力方向与电荷运动方向、磁场方向有关。

探究三：影响洛伦兹力大小的因素

实验3：如图2所示，第一步，垫一块磁铁，石墨与铁皮连接一节，两节，三节干电池的情况下，分别记录20s时间内溶液转动的圈数;第二步，石墨与铁皮连接一节干电池，垫一块，两块，三块磁铁的情况下，再分别记录20s时间内溶液转动的圈数。

现象3：第一步溶液转动的圈数分别约为2.5圈，3.8圈，4.5圈;第二步溶液转动的圈数分别约为2.5圈，3.2圈，3.7圈。

结论3：增加电池节数和磁铁块数都能提高转数，说明电荷运动速度越大，磁场越强，洛伦兹力也越大。

4.教具创新之处及教学作用

该教具材料简易，制作简单，实验现象明显，便于分组，让学生亲身体会探究过程，带来了更加深刻的实验体验，培养学生的科学思维和科学探究能力，有助于高中物理核心素养的落实，同时也增添了课堂学习的趣味性。通过此教具，化微观的洛伦兹力为宏观的溶液转动进行观察，实验围绕“溶液转动”展开对“磁场对运动电荷的作用”深入探究，突破教学的重难点，让抽象的物理问题变得更加形象直观，学生在学习中积极的思考猜想，并通过亲自动手实验进行探究验证，避免了空洞乏味的讲解，帮助学生从不同维度认识磁场对运动电荷的作用。另外，“溶液转动”为后面的带电粒子在匀强磁场中的圆周运动起到一定的铺垫作用，对学生后继章节的学习产生积极的影响。

5.结语

自制教具的教学价值并不单单体现在这一个课时的教学中，教师只要用心开发定能将各式各样的自制教具应用到不同章节教学当中，使自制教具更好的走进物理教学，让学生“动”起来，让课堂“活”起来。

参考文献

[1]吕丽凤.以自制教具提升物理实验教学质量[J].教师，2018（03）：23-25.

[2]周杰.自制教具在高中物理课堂教学中的使用[J].名师在线，2019（06）：75-77.