追根溯源探因 优化创新提效

俞翠华　方巨丰

［摘 要］中学物理实验教学发展至今，仍有部分实验教学效果不太理想，成为公认的疑难实验，需要教师在实验教学中改进和优化。实验改进本质上属于发明创新，对疑难实验的改进，应该关注实验的发展演化过程，基于实验溯源创新实验方法，而不是随机的灵光闪现。溯源，顾名思义就是追根溯源。通过检索同行们的研究成果，知晓实验的发展历史、不同实验设计的优缺点，以便站在“巨人”的肩膀上，开发出更为优秀的实验作品。这种方法是苏联发明家阿奇舒勒创立的萃智理论的核心方法。 文章以“旋转的液体实验”为例介绍演示实验的溯源与创新。

［关键词］演示实验；溯源；创新

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）08-0042-03

一、实验的追根溯源

（一）从教材溯源

“旋转的液体实验”可以作为人教版物理选择性必修第二册第一章第一节“磁场对通电导线的作用力”的演示实验。《普通高中课程标准（2017年版2020年修订）》对本节课的要求是：通过实验，认识安培力；能判断安培力的方向，会计算安培力的大小；了解安培力在生产生活中的应用。关于“了解安培力在生产生活中的应用”，可以用重点剖析典型案例和一般性了解各种应用相结合的教学方法进行。新旧教材中都有两个典型案例：电流天平和磁电式仪表，而“旋转的液体”实验在新教材中未保留，如图1。

笔者认为，“旋转的液体”实验是一个承上启下的实验，它既能开拓安培力的应用领域，又是通向洛伦兹力的“接口”，弃之可惜。为此，要找到“旋转的液体”实验的不足，并将其进行优化，同时也要发掘与创新其他演示实验，以便更好地为教学服务。

（二）从学情溯源

中学生的思维还未完全成熟，面对比较抽象的物理知识需要用实验演示，才能使他们更好地理解物理知识。安培力和洛伦兹力是高中物理最为抽象的两个力，虽然我们也用阴极射线管演示洛伦兹力，演示效果虽好，但却远离学生的经验，还是有些抽象，不能有效引发学生思考。为了使学生建立安培力和洛伦兹力的概念，教师需要以学生原有经验为基础，强化学生的感性认识，有效激发学生的思维推测，让学生深入理解与牢固掌握物理知识。

在此，采用导电液体在电磁场中旋转作为建构的背景，让学生从身边的可以操作的现象认识安培力和洛伦兹力，取得了较好的教学效果。

二、实验的优化创新思路

[1.质疑创新][“旋转的液体”实验作为演示实验存在哪些不足？能否改进使其更好地研究安培力和磁场的大小和方向的关系？] [2.模型建构][3.科学推理][4.科学论证][学生对安培力在流体模型中的认知存在什么困难？建构一个相似的实体模型，帮助学生理解。][抓住宏观电流与微观离子定向运动间的关系，启发学生寻找隐蔽在微观视角下的安培力的产生机理。][在宏观和微观层面上解释导电液体的安培力后，能否预测并论证：其他运动离子在磁场中也会受磁场力。]

三、实验的优化创新与实践

（一）质疑创新，理化克难

1.实验不足

还原“旋转的液体”这个实验，在一个圆形槽的中心竖放一个圆柱形电极，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；倒入导电溶液——氯化钠溶液，将整个装置移入U形磁体中。观察实验现象，可以明显看到实验的几大不足：

（1）可视性较弱，U形磁体挡住了观察视线；

（2）因为氯化钠溶液的电解（2NaCl+2H2O [通电 ] 2NaOH+H2↑+Cl2↑）溶液逐渐变黄，生成有毒的氯气，有害健康。

（3）随着电解的进行，溶液中的离子不断减少，溶液旋转也逐渐减弱，最后停止。

2.实验改进

针对这些不足，可以从物理与化学的角度进行改进。

首先，如图2所示，更换导电液体，用硫酸铜、硫酸鈉、硫酸钾做实验比氯化钠更合适，因为它们电解的实质是水电解，即2H2O[ 通电 ]O2↑+2H2↑，生成的是无毒的氢气和氧气，而且水能一直电解，让液体一直旋转。其中饱和硫酸铜离子浓度高，带电量多，实验效果更好。

其次，更换磁体， 如图3所示，把钕铁硼圆柱形强磁铁嵌入木板中很合适，磁场够强，也不会产生遮挡。也可以把线圈绕到溶液盆的外面，并且匝数可调，这样就可以通过改变线圈匝数来改变通电线圈产生的磁场，从而较全面地研究安培力与磁场的方向和大小的关系。

最后，更换电极，如图4所示，因为增加导电液体和两极的接触面积，可以提升演示效果，所以边缘可以用铜片环，中心可以用圆铜柱，也可以把铜丝绕成铜圈，效果也不错。考虑到铜在电解时容易被腐蚀，可以用石墨片和石墨棒做两极。连接好的实验装置图如图5、6所示

3.实验效果

通过更换导电溶液和磁体后，原演示实验的三大不足基本都得到了改进和优化。

通过对不同电极实验的比较，发现演示效果最好的是用铜圈做中心电极的演示实验。究其原因，是因为水电解产生的氧气和氢气，若中心电极是铜柱或石墨棒，则气体只能向外喷涌而出，影响了水的旋转；而中心电极是铜圈时，气体可以向内、外同时喷涌，从而使向外喷出的气体大大减少，对液体旋转的影响也大大减少。用铜片环做边缘电极最佳，若用石墨环做边缘电极，虽然溶液旋转的效果不错，但实验中大量石墨在反应时会脱落，黑色颗粒影响了硫酸铜溶液的纯度，使硫酸铜溶液不能反复利用。另外，石墨片比较脆，没有什么强度，容易断裂，也不能反复利用，所以不如用铜片环做边缘电极效果好。

下面通过改变线圈匝数来改变磁场强弱，相关实验数据如表1所示。由表1可以看到：线圈匝数越多，磁场越强，导电液体旋转也越强。

（二）建构模型，追根溯源

“旋转的液体”实验在演示过程中的不足，完全可以通过物理与化学的方法克服，而在实验现象的解释上，因为是导电液体受安培力，对学生而言，理解有点困难。2016年4月浙江物理选考题，追溯了法拉第电动机的原理，为我们找到了解释的方法。

［例题］（2016年4月浙江物理选考）法拉第电动机原理如图7所示。条形磁铁竖直固定在圆形水银槽中心，N极向上。一根金属杆斜插在水银中，杆的上端与固定在水银槽圆心正上方的铰链相连。电源负极与金属杆上端相连，与电源正极连接的导线插入水银中。从上往下看，金属杆（）。

A. 向左摆动               B. 向右摆动

C. 顺时针转动           D. 逆时针转动

如图8所示，我们用硫酸铜溶液代替水银，用强磁体代替条形磁体，来模拟实验，正如答案D所描述的，金属杆逆时针旋转。金属杆的旋转如何帮我们解释液体的旋转呢？

（三）理论推理，实验论证

1.理论推理

（1）如图9所示，从上往下看，电流在金属棒的邊缘和圆心之间流动，在中心磁体产生的磁场中受到安培力，金属杆转动。

（2）如图10所示，在“旋转的液体”中，一条条沿半径方向的导电液体，就像是一条条的“液体棒”，电流从边缘流向中心，“液体棒”因受安培力而转动。旋转的金属棒模型帮助我们建立了导电液体的旋转模型。

（3）如图11所示，液体中电流由离子定向运动形成，磁场对电流的作用，是不是磁场对运动离子的作用呢？

（4）如图12所示，如果把导电液体换成是其他离子呢？比如等离子体，是否也会有力的作用而产生旋转呢？

2.实验论证

如果我们能够从实验的角度验证图12的猜测，那我们也就找到了安培力在微观层面的本质，也就找到了通向洛伦兹力的“接口”。下面我们一起进行实验论证。

如图13所示，左边是装置的正面，黑色的是环状磁体，内壁嵌着一个金属弹簧，可以接到高压电源的正极；右边是装置的背面，有一根铜丝，一端固定在木块上，另一端置于环状磁体的中心，并连接高压电源的负极。

接通电源后，可以观察到如图14所示的实验现象：环状磁体中的铜丝冒出“电火花”，并发生旋转。究其原因，是因为中心铜丝在高压下尖端放电，使空气发生了电离，产生的等离子体受到沿半径方向的电场力，从而沿半径方向定向运动；同时，等离子体又受到环状磁体产生的磁场力作用，正是这个力使其发生了旋转。

综上所述，磁场对气体中运动的等离子体的作用力、磁场对液体中运动离子的作用力、磁场对金属中运动电荷的作用力本质是相同的。因此，安培力宏观上是对电流的作用，微观上是对运动电荷的作用。这就是隐藏在安培力背后的微观机理，也就是洛伦兹力的本质。至此，一个通向洛伦兹力的“接口”已打开，由学生推导洛伦兹力的表达式，也就有了充分的理论依据。一个通向另类电动机的窗口也已打开，由学生研制另类电动机也就有了坚实的实验基础。

四、溯源创新的模式

实践证明，采用以下流程（如图15），结合研究理论，运用溯源创新法，可大大加快疑难实验的研究进程，提高实验研究实效。

五、结束语

学生在课堂上推导安培力在宏观层面与微观层面间表现的关系，慢慢地找寻到安培力与洛伦兹力的关系，在课外继续从实验的角度验证和探寻安培力与洛伦兹力的关系，也创造出了许多新的电动机模型，这也许就是演示实验的巨大魅力。著名物理学家朱正元先生曾言：“瓶瓶罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验。”一个有实验溯源和创新素养的教师能充分地展现实验的魅力，淋漓尽致地发挥它的育人功能。

（责任编辑 易志毅）