龔任寧 張洪明

高中物理選修3-1第93頁“做一做”有這樣一則有趣的實驗，下面從實驗的可視性、安全性、可操作性出發(fā)，討論該實驗的改進.如圖1.

一、實驗材料的改進

原實驗器材存在問題改進后的實驗器材改進理由磁場蹄形磁鐵實驗室的蹄形磁鐵較小，磁場較弱，會導致液體旋轉的不明顯，且蹄形磁鐵的形狀會阻擋視野.直徑為50 mm釹鐵硼圓柱形強磁鐵釹鐵硼圓柱形強磁鐵磁性很強，實驗現(xiàn)象明顯，且液體上方沒有阻攔，方便觀察.電解液電解

食鹽水2NaCl+2H2O通電2NaOH+H2↑+Cl2↑

電解過程中溶液逐漸變黃，生成有毒的氯氣和強堿氫氧化鈉電解硫酸鈉溶液2H2O通電O2↑+2H2↑

失電子能力Cl->OH->SO2-4，所以在食鹽溶液中，氯離子在陽極失去電子，而在硫酸鈉溶液中，氫氧根離子在陽極失去電子.電解硫酸鈉的實質是電解水，生成的是無毒的氫氣和氧氣.硫酸鈉還可用實驗室常用的硫酸鉀，硝酸鉀代替.電極周圍圓環(huán)形電極為陽極，中間圓柱形電極為陰極圓環(huán)形電極一般用金屬絲繞制，電解溶液時，陽極失去電子，陰極得到電子，若金屬電極作陽極，金屬（鐵絲、銅絲）比溶液中的非金屬離子更易失去電子，導致圓環(huán)形電極溶化.金屬電極（銅絲繞制）作陰極，惰性電極（石墨）作陽極銅絲繞制的圓環(huán)形電極較易獲得，一般的銅絲表面有鍍膜，在繞制前先用砂紙打磨，銅電極作陰極，防止金屬電極被氧化.石墨電極可從廢棄的干電池中獲得.電源干電池干電池的內阻較大，電流較小，現(xiàn)象不明顯學生電源學生電源電壓穩(wěn)定，并且可調節(jié).現(xiàn)象直接觀察液體旋轉液體透明，旋轉現(xiàn)象不明顯在液體上灑上一層鉛筆芯屑液體的旋轉帶動鉛筆芯屑的旋轉，方便觀察.二、實驗操作的改進

1.磁場的改變：圓柱形強磁鐵通過翻轉即可改變磁場方向，通過遠離或者靠近即可改變磁場的強弱，通過磁場的改變，定性研究電解液受到的安培力的大小和方向變化.

2.電流大小的改變：在電路中，串聯(lián)一個滑動變阻器和電流表，通過改變滑動變阻器的阻值改變電路中電流的大小，繼而通過觀察液體旋轉的速率研究電解液受到的安培力的大小.

三、實驗操作的步驟

1 .實驗器材：學生電源（1.5 A，6 V）、滑動變阻器（1.5 A，50 Ω）石墨電極，銅絲（圓環(huán)形電極），電流表，燒杯，硫酸鈉溶液，直徑為50 mm釹鐵硼圓柱形強磁鐵，導線若干，鉛筆芯屑少許連接電路如圖2.

2.實驗原理（如圖3）：強電解質溶液具有導電性，導電的溶液在磁場中會受到安培力（本質是定向移動的離子受到洛倫茲力的作用）的作用，宏觀上表現(xiàn)為液體繞著圓柱形電極旋轉.電流的大小決定了離子定向移動速率的大小，根據(jù) 可知，電流的大小或磁場強弱決定了安培力的大小，即液體旋轉的速率，磁場和電流的方向決定了安培力的方向，即液體旋轉的方向.

3.實驗步驟

①配置一定濃度的硫酸鈉溶液，撒上鉛筆芯屑，繞制銅絲做成圓環(huán)形電極.

②按圖連接電路，滑動變阻器打到阻值最大處.

③接通電源，觀察液體旋轉的速度和方向.

④調節(jié)滑動變阻器阻值，觀察液體旋轉的速度.

⑤改變磁場方向，觀察液體旋轉的方向.

4.實驗結論：導電液體在磁場中受到安培力（定向移動的離子在磁場中受到洛倫茲力）的作用，安培力（洛倫茲力）的方向與電流方向（正離子定向移動方向）有關，與磁場方向有關，符合“左手定則”.安培力（洛倫茲力）的大小與電流大小（離子定向移動的速率）有關，與磁場強弱有關.

四、改進后的旋轉液體實驗具有如下優(yōu)點

（1）操作簡單，現(xiàn)象明顯，實驗器材容易獲得，鉛筆芯屑，石墨電極，銅絲，玻璃器皿都可源自生活中的材料.

（2）實驗中電解水，生成安全無毒的產物，可以作為課后趣味實驗，讓學生動手參與.或者作為課堂演示實驗，用攝像頭將畫面投影至白板上.

（3）通過翻轉磁鐵，移動滑動變阻器滑片等操作，定性地研究安培力方向與電流，磁場的方向關系.

（4）該實驗中電解液受到的安培力的實質是溶液中定向移動的離子受到洛倫茲力的作用，宏觀上表現(xiàn)為液體受到安培力發(fā)生旋轉，這為下節(jié)課《運動電荷在磁場中受到的力》做了很好的鋪墊.

美中不足的是，圓環(huán)形電極必須用金屬絲繞制，為了避免金屬電極被氧化，圓環(huán)形電極只能做陰極，實驗中不能通過改變電源接入的正負極改變電流的方向.若要改變電流的方向，可以更換電極的材料，只需將銅絲繞制的圓環(huán)形電極改為鉑絲繞制的圓環(huán)形電極即可，但是考慮到鉑絲在生活中不易獲得，且較貴.

【本文為寧波市2015年度教育技術研究規(guī)劃課題《基于傳感器的數(shù)字化物理實驗實踐研究》課題成果之一，課題編號NBZ1505】