黃 玨 黃正玉
(1. 深圳實(shí)驗(yàn)學(xué)校,廣東 深圳 518028; 2. 深圳市第二實(shí)驗(yàn)學(xué)校,廣東 深圳 518021)
一種環(huán)形“洛倫茲力演示器”的制作
黃 玨1黃正玉2
(1. 深圳實(shí)驗(yàn)學(xué)校,廣東 深圳 518028; 2. 深圳市第二實(shí)驗(yàn)學(xué)校,廣東 深圳 518021)
洛倫茲力是指磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電子或離子的作用力.本裝置用于顯示磁場(chǎng)對(duì)溶液中運(yùn)動(dòng)離子的洛倫茲力.電解質(zhì)溶液中的運(yùn)動(dòng)離子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力,帶動(dòng)整個(gè)液體的定向移動(dòng).本裝置通過透明圓形軌道中導(dǎo)電液上的漂浮物的運(yùn)動(dòng),展示磁場(chǎng)對(duì)離子洛倫茲力的大小和方向規(guī)律.
一般學(xué)校擁有的洛倫茲力演示器為“JY219-87洛倫茲力演示器”.它能演示電子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)及電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并能測(cè)定電子的荷質(zhì)比.但設(shè)備昂貴,一般均在3000~4000元.儀器要求真空(或低壓氣體)普通玻璃管,容易破碎.
還有一種就是液體的旋轉(zhuǎn)演示洛倫茲力,但是由于液體在同一個(gè)柱形水槽中旋轉(zhuǎn),液體同時(shí)存在徑向和切向運(yùn)動(dòng),方向觀察不清,不方便研究磁場(chǎng)方向和洛倫茲力方向的關(guān)系.
(1) 該項(xiàng)目改進(jìn)的創(chuàng)新點(diǎn)或改進(jìn)點(diǎn).
透明、環(huán)形管道、懸浮球、低壓安全、成本低.
① 可視性:通過環(huán)形透明管道中的懸浮球清晰展示洛倫茲力的大小和方向規(guī)律,環(huán)形管道內(nèi)液體流向一致.無需投影,可在教室直接演示,演示效果良好.
② 安全性:相比于普通玻璃,本裝置的有機(jī)玻璃更安全.相比于高壓電子槍,低壓4-16V電源更加安全,如果改由充電電池,攜帶更方便.
③ 經(jīng)濟(jì)性:相比數(shù)千元的定價(jià),本儀器只需幾十元.方便學(xué)生參與動(dòng)手制作.
(2) 結(jié)構(gòu)原理和實(shí)物介紹(如圖1,2).
儀器由環(huán)形管道、強(qiáng)磁鐵數(shù)枚、電極、電流表、控制開關(guān)、直流2-16V電源等組成.本儀器采用帶電離子流來作實(shí)驗(yàn),在直流電場(chǎng)作用下,鈉離子Na+由正極流向負(fù)極的定向移動(dòng),在強(qiáng)磁鐵磁場(chǎng)作用下,磁場(chǎng)對(duì)作定向移動(dòng)的Na+產(chǎn)生洛倫茲力,使得電解液在槽內(nèi)沿環(huán)形槽流動(dòng).透明裝置便于學(xué)生在教室演示直接觀察.
(3) 制作材料.
4根透明有機(jī)玻璃管外徑4cm長(zhǎng)15cm,內(nèi)徑4cm的直角彎頭4個(gè),銅電極2個(gè),碳電極2個(gè),直徑4cm柱形強(qiáng)磁鐵2枚.
(4) 實(shí)物制作.
將透明有機(jī)玻璃管和彎頭連成閉合環(huán)狀,在其一邊中間正上方開口.在開口處兩側(cè)安裝銅電極和碳電極.
圖2
(5) 使用方法.
① 將電極插入透明環(huán)形管道開口處兩側(cè),與直流電源相連,電源電壓調(diào)為6V.在電極所在位置的環(huán)形玻璃管底部放上強(qiáng)磁鐵,保證磁極豎直向上(或向下).實(shí)際工作電流約為150mA,磁鐵磁場(chǎng)約為30mT.
② 在環(huán)形玻璃管里加入配制好的硫酸鈉溶液,液面高度為環(huán)形玻璃管直徑的1/3至2/3.在環(huán)形玻璃管中放入懸浮塑料球,用于顯示液體的流動(dòng).
③ 打開開關(guān),此時(shí)指示燈亮,儀器開始工作,通過懸浮球觀察導(dǎo)電液沿環(huán)形玻璃管流動(dòng),改變直流電壓觀察流速變化,改變強(qiáng)磁鐵極性或電源極性,觀察液體流動(dòng)方向的改變.
(6) 注意事項(xiàng).
① 電源電壓調(diào)節(jié)應(yīng)從低往高調(diào).
② 實(shí)驗(yàn)時(shí),電解液隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加會(huì)發(fā)熱,當(dāng)電解液太熱時(shí)可關(guān)斷電源待冷卻后,再做實(shí)驗(yàn).
③ 透明環(huán)形管道為塑料制品,請(qǐng)勿與有機(jī)溶劑接觸,以免損壞環(huán)形管道的光潔度.
④ 實(shí)驗(yàn)完成后,用清水清洗電極和懸浮球和玻璃管道,待下次可正常使用.儀器使用完畢后,及時(shí)切斷電源,清洗后將其放置在干燥、陰涼、無腐蝕氣體的通風(fēng)之處.
2016-07-09)