高靜波

摘 要：“旋轉(zhuǎn)的液體”實(shí)驗(yàn)源于教材的“做一做”欄目。本文指出原實(shí)驗(yàn)的不足之處并分析其原因，通過自制實(shí)驗(yàn)器材加以改進(jìn)，并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，達(dá)到了預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；自制教具；洛倫茲力

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）10-0034-2

某版本高中《物理》教材選修“3-1”第93頁的“做一做”欄目介紹了一則有趣的實(shí)驗(yàn)（如圖1）。在玻璃皿的中心放一個圓柱形電極，沿邊緣內(nèi)壁放一個圓環(huán)形電極，把它們分別與電池的兩極相連，然后在玻璃皿中放入導(dǎo)電液體。如果把玻璃放在磁場中，液體就會旋轉(zhuǎn)起來。這個實(shí)驗(yàn)形式新穎，能引起學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。可以用來驗(yàn)證左手定則，也可以用來探究洛倫茲力的方向?？梢杂米餮菔緦?shí)驗(yàn)，也可以用作學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

1 改進(jìn)前的實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

如圖1，玻璃皿中盛有氯化鈉溶液，溶液中有自由電荷（Na+和Cl-）；玻璃皿中心圓柱形金屬接電源負(fù)極，內(nèi)壁附金屬環(huán)接電源正極，接通電源，兩電極間存在輻向電場，自由電荷在電場力的作用下運(yùn)動起來。將玻璃皿置于蹄形磁鐵的磁場中，運(yùn)動的正負(fù)離子會受到切向的洛倫茲力，溶液因此開始旋轉(zhuǎn)。離子的實(shí)際運(yùn)動十分復(fù)雜，給學(xué)生講解時需點(diǎn)到為止，這里不作贅述。

1.2 原實(shí)驗(yàn)的不足之處

①圓周運(yùn)動的“誤導(dǎo)”

本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過觀察液體的旋轉(zhuǎn)，判斷離子所受洛倫茲力的方向。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)學(xué)習(xí)了“物體做圓周運(yùn)動是因?yàn)槭艿搅酥赶驁A心的力提供向心力”，這會使學(xué)生誤認(rèn)為“旋轉(zhuǎn)的離子受洛倫茲力應(yīng)指向圓心”，要糾正這個錯誤并不容易，實(shí)驗(yàn)效果打了折扣。

②溶液變渾濁

實(shí)驗(yàn)中，分別嘗試用常見金屬鐵、銅、鋁作電極，玻璃皿中盛NaCl溶液，通電后溶液會變渾濁，通電時間越長越渾濁。原因是通電后金屬電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

用鐵作電極發(fā)生的主要總反應(yīng)方程為：

生成物中Fe（OH）2為白色沉淀，部分會被氧氣氧化生成紅褐色絮狀物Fe（OH）3。

用銅作電極發(fā)生的主要總反應(yīng)方程為：

生成物中Cu（OH）2為藍(lán)色沉淀，實(shí)際反應(yīng)過程還會生成少量磚紅色絮狀物Cu2O。

我們可以推理出，如果用Al作電極也會生成沉淀：

可見，如果用上述常見金屬作電極，會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成沉淀，使溶液變渾濁，影響實(shí)驗(yàn)效果。生成不導(dǎo)電的氧化物附著在電極上，也會對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。另外，實(shí)驗(yàn)后生成的沉淀附著在裝置上很難清理，金屬電極溶解變少，都不利于裝置的反復(fù)利用。

③電解NaCl溶液產(chǎn)生有毒氯氣

實(shí)驗(yàn)中兩極有氣泡產(chǎn)生，原因是電極材料不純，發(fā)生反應(yīng)

生成的Cl2溶于水使液體變黃，當(dāng)反應(yīng)劇烈時，氯氣溢出，如果被學(xué)生吸入體內(nèi)會中毒。筆者因反復(fù)實(shí)驗(yàn)，吸入氯氣后呼吸道粘膜受損，引起幾天呼吸道不適。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思路

為使學(xué)生擺脫向心力的“誤導(dǎo)”，改圓形器皿為“回”字形器皿，研究離子的直線運(yùn)動。為防止兩極發(fā)生氧化還原反應(yīng)形成沉淀，用惰性材料石墨紙作電極材料。為防止電解過程生成有毒氣體，改用稀NaOH溶液。

2.2 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)“回”字型水槽（如圖2、3、4所示），水槽用透明亞克力板粘成，水槽架離桌面2 cm，下面可放矩形磁鐵。水槽長邊用白紙貼合標(biāo)記為研究的指定區(qū)域。指定區(qū)域兩側(cè)的水槽內(nèi)壁上粘有長條形2 mm厚石墨紙作為電極，連接電源的鱷魚夾可以夾在石墨紙上。實(shí)驗(yàn)時在槽中盛裝稀NaOH溶液，石墨電極與學(xué)生電源相連，接通電源后，兩電極間正負(fù)電荷（Na+和OH-）在電場力作用下開始運(yùn)動；這時在水槽下面放一個9 cm×6 cm的強(qiáng)磁鐵，可以觀察到所研究的直線區(qū)域內(nèi)的溶液從靜止開始運(yùn)動起來，溶液運(yùn)動方向就是洛倫茲力的方向。

2.3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

1.“回”字型的直線區(qū)域內(nèi)，溶液是從靜止開始做直線運(yùn)動，學(xué)生容易判斷出溶液運(yùn)動方向即洛倫茲力方向，擺脫了原實(shí)驗(yàn)中圓周運(yùn)動、向心力的干擾。

2.石墨電極化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成沉淀，實(shí)驗(yàn)效果好。另外，網(wǎng)購石墨紙非常廉價，導(dǎo)電性好。

3.電解稀NaOH溶液的總反應(yīng)方程為

不會生成有毒有色氣體。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，稀NaOH溶液不會對皮膚造成燒傷，可放心實(shí)驗(yàn)。但是，要提醒學(xué)生實(shí)驗(yàn)后要洗手，注意不要將溶液弄進(jìn)眼睛。

4.實(shí)驗(yàn)時采用9 cm×6 cm的磁鐵，面積大，磁場分布更均勻。

5.NaOH溶液透明，不易其觀察運(yùn)動，可在溶液上灑少量藍(lán)色塑料碎末作為參照物。

實(shí)驗(yàn)時，交換電源正負(fù)極，電荷運(yùn)動方向改變，洛倫茲力方向改變，溶液運(yùn)動方向改變。將磁鐵翻轉(zhuǎn)，磁場方向改變，洛倫茲力方向改變，溶液運(yùn)動方向也改變。筆者利用改進(jìn)后的裝置，在公開課“運(yùn)動電荷在磁場中受到的力”中，進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證“洛倫茲力的方向遵循左手定則”，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。

（欄目編輯 李富強(qiáng)）endprint