“可视化实验”在高中物理创新实验教学中的运用——利用硫酸铜溶液演示磁场对运动电荷的作用力

吕 磊 张 引 李进辉

广东省珠海市实验中学(519090)

洛伦兹力是电磁学的重要内容,也是高考考查的重点和难点。带电粒子在磁场中运动受到洛伦兹力的作用,比较抽象、难理解、不容易掌握,学生学习时只是简单机械地记忆物理规律(画图和套公式等),不能很好的理解和把握规律得出的过程。笔者尝试自制教具将带电粒子在磁场中的运动轨迹进行可视化实验,收到了较好的效果。

1 实验目的

(1)利用硫酸铜溶液演示磁场对运动电荷的作用力——洛伦兹力。

(2)通过“可视化实验”让学生真实感受到洛伦兹力的存在。

(3)培养学生通过设计实验、观察实验现象、归纳总结、探索规律的能力。

2 实验原理

当硫酸铜溶液中通入学生直流电后,可使溶液中的自由离子产生定向移动,在磁场的影响下受到洛伦兹力,从而带动溶液旋转,做匀速圆周运动[1]。

3 实验器材

培养皿、硫酸铜溶液、导线、学生直流电源、油性彩色颜料(不溶于硫酸铜溶液)、强磁铁等。实验装置图见图1。

图1 实验装置图

4 实验步骤

(1)将干净的培养皿放在实验台上,选取2条铜导线,其中1条做成螺旋状,并放在培养皿中心处,另一条紧靠在培养皿的边缘处。

(2)再将2条铜导线另外一端分别接到学生电源的直流电压接线柱上。

(3)将适量的硫酸铜溶液注入培养皿中。

(4)先接通电源,观察硫酸铜溶液的变化情况,关闭电源。

(5)然后在培养皿下方放置强磁铁,再次接通电源,观察硫酸铜溶液变化情况,关闭电源。

(6)将3种彩色颜料轻轻地滴在硫酸铜溶液表面,如图2所示;再次接通电源,观察溶液表面油性彩色颜料的运动情况, 如图3所示。

图2 滴入3种油性彩色颜料

图3 3种颜料形成旋涡状图形

(7)关闭电源,整理器材,实验结束。

5 实验现象与结论

图3是通入学生直流电后,硫酸铜溶液在洛伦兹力的作用下转动,并带动其表面上红、黄、黑3种彩色颜料一起转动,形成3种颜色漩涡状的彩带,最终混合在一起。

结论:通过本实验,很直观地看到了带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用做匀速圆周运动的现象。

6 注意事项

(1)硫酸铜溶液倒入培养皿中,一定要完全浸没过螺旋状铜导线。

(2)一定要接学生电源直流电压档,电压应控制在4～8 V。

(3)强磁铁要放置在培养皿的正中央下方。

(4)将彩色颜料滴入溶液时,要保证3种彩色颜料界限分明。

7 实验创新与反思

(1)本实验利用油性彩色颜料不溶于硫酸铜溶液的特性,将硫酸铜溶液在磁场中受到洛伦兹力作用做匀速圆周运动的轨迹清晰地展示出来,既形象又生动[2]。

(2)教材中是用洛伦兹力演示仪器进行演示,实验器材比较昂贵而且不太方便操作,而改进后的实验器材成本低、取材方便,并且实验现象比较明显。

(3)本实验不仅可以用于新授课的导入实验,还可以在教学中组织学生进一步探究洛伦兹力方向遵循的左手定则[3]。

8 结束语

教师带领学生通过自己动手以及同学间的协作,共同完成这个创新实验,培养了学生合作、交流、互助的精神。通过“可视化实验”让学生认识到洛伦兹力的存在,进而培养学生热爱生活、实事求是的科学态度,激发学生探索与创新的意识,很好地落实了对学生物理学科核心素养的渗透与培养[4]。