王 磊 陳建文

一、洛倫茲力研究的發(fā)展背景

自從庫侖提出電和磁有本質(zhì)上的區(qū)別以后，安培和畢奧等很多物理學(xué)家也都認(rèn)為電和磁不會(huì)有任何關(guān)系。但深受康德哲學(xué)思想影響的丹麥物理學(xué)家奧斯特始終相信電、磁、光、熱等物理現(xiàn)象存在內(nèi)在聯(lián)系，尤其是在富蘭克林發(fā)現(xiàn)萊頓瓶放電能使鋼針磁化的現(xiàn)象后，更堅(jiān)定了他的觀點(diǎn)。經(jīng)過長(zhǎng)期的大量實(shí)驗(yàn)探索，終于在1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，開啟了電磁學(xué)研究的新紀(jì)元[1]。此后，以法、德兩國物理學(xué)家為代表的“源派”物理學(xué)家對(duì)電磁學(xué)做出了許多重大貢獻(xiàn)，例如，庫侖建立了庫侖定律，安培提出磁現(xiàn)象的本質(zhì)是電流，建立了兩電流元作用力的安培定律，1845年韋伯明確提出帶電粒子是既有質(zhì)量又帶電的粒子的概念，認(rèn)為電就是帶電粒子，電流就是帶電粒子的運(yùn)動(dòng)[2]。以英國物理學(xué)家法拉第、麥克斯韋為代表的“場(chǎng)論派”持近距作用觀點(diǎn)，認(rèn)為電磁作用的媒介物—電磁場(chǎng)是客觀存在的特殊形態(tài)的物質(zhì)。洛倫茲集場(chǎng)、源兩派理論之長(zhǎng)，把氣體分子動(dòng)理論的成果引入電磁學(xué)，將經(jīng)典電磁理論推向了高峰。

洛倫茲繼承了“場(chǎng)論派”近距作用的場(chǎng)觀點(diǎn)和源派電的帶電粒子的觀點(diǎn)并予以結(jié)合，洛倫茲認(rèn)為，一切電作用力歸根到底是電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的作用力，表示為FE(FE=qE)，一切磁作用力歸根到底是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)帶電粒子的作用力，所以安培關(guān)于兩電流元作用力的公式應(yīng)理解為一電流元受另一電流元產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用力，因電流是帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，故安培力的本質(zhì)是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)帶電粒子的作用力，以qv取代安培力公式F=BIL中的IL即可得出F=qvB。這是洛倫茲在1982年電子尚未發(fā)現(xiàn)、且并無任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)時(shí)得出的洛倫茲力公式，簡(jiǎn)言之，洛倫茲力公式是電磁場(chǎng)和帶電粒子兩大正確觀點(diǎn)相結(jié)合的產(chǎn)物和必然結(jié)果[3]。

二、洛倫茲力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

中學(xué)物理關(guān)于洛倫茲力的教學(xué)在高中的必修3-1部分，在學(xué)習(xí)安培力之后，作為對(duì)安培力的微觀解釋理論推出洛倫茲力的教學(xué)。目前我國中學(xué)階段的洛倫茲力學(xué)習(xí)主要以理論教學(xué)的方式。教師利用輔助教具直觀、形象地演示某種科學(xué)現(xiàn)象，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并充分調(diào)動(dòng)積極性，是一種非常有效的教學(xué)手段。

洛倫茲力的實(shí)驗(yàn)主要以陰極射線在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的形式為主，但是這樣的設(shè)備對(duì)于中學(xué)生而言比較昂貴，也比較危險(xiǎn)。由于我國目前的教學(xué)儀器設(shè)計(jì)比較落后，能夠在中學(xué)課堂普遍推廣地、科學(xué)有效地演示洛倫茲力的實(shí)驗(yàn)儀器還處在待研發(fā)狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)給出一種演示洛倫茲力的設(shè)計(jì)方案，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制作成本低廉、演示效果明顯，對(duì)學(xué)生的啟發(fā)作用突出。該裝置可以顯示出帶電小球在磁場(chǎng)中的受力作用，通過改變磁場(chǎng)方向和帶電小球的運(yùn)動(dòng)方向可以看出帶電小球所受洛倫茲力的變化。以宏觀的帶電體來演示洛倫茲力的作用，通過帶電金屬球的圓錐擺來解決宏觀帶電物體受重力影響而難以演示洛倫茲力作用的問題，用擺繩拉力的豎直分力來平衡重力。該裝置可以讓物理課堂上抽象的洛倫茲力變得可視化，有利于學(xué)生對(duì)于電磁學(xué)的觀察、學(xué)習(xí)、理解。

三、洛倫茲力演示儀器的設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)所述的用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的旋轉(zhuǎn)擺球式洛倫茲力演示儀，其整體結(jié)構(gòu)如圖1～圖3所示。該裝置主要由兩部分構(gòu)成：范式起電機(jī)部分(圖1、圖2)和洛倫茲力演示儀部分(圖3、圖4)。范式起電機(jī)部分由集電球腔11、起電機(jī)支架12、摩擦帶13、導(dǎo)電刷14、摩擦棒15、驅(qū)動(dòng)輪16、電動(dòng)機(jī)17組成。洛倫茲力演示儀部分由上部支架201、上鐵芯202、上線圈203、擺球架204、導(dǎo)電絲205、金屬擺球206、真空腔207、下線圈208、下鐵芯209、下部支架210、開關(guān)211、電源212組成。

圖2 范式起電機(jī)部分側(cè)剖面圖

2.工作原理

本設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要工作原理如下。

集電球腔11由金屬材料制成，下部鏤空成圓形開口，其表面和開口處打磨光滑架接在起電機(jī)支架12上。起電機(jī)支架12由絕緣材料制成，其上部固定安裝圓柱形狀摩擦棒15，摩擦棒15由聚合物材料制成，起電機(jī)支架12下部分為電動(dòng)機(jī)17，電動(dòng)機(jī)17的轉(zhuǎn)軸上安裝驅(qū)動(dòng)輪16，驅(qū)動(dòng)輪16和摩擦棒15之間安裝摩擦帶13，電動(dòng)機(jī)17通電后驅(qū)動(dòng)輪16驅(qū)動(dòng)摩擦帶13運(yùn)轉(zhuǎn)。摩擦帶13摩擦摩擦棒15使摩擦帶13帶點(diǎn)，導(dǎo)電刷14一端緊貼摩擦帶13，另一端連接集電球腔11，將摩擦產(chǎn)生的電荷導(dǎo)入集電球腔中。因集電球腔11為金屬球殼，其表面可以積累大量電荷。用導(dǎo)線將集電球腔11與洛倫茲演示儀上嵌入擺球架204內(nèi)部的導(dǎo)電絲205連接，導(dǎo)電絲205懸掛金屬擺球206，以此將集電球腔11的電荷導(dǎo)入金屬擺球206上，使金屬擺球206上帶有大量電荷。

金屬擺球206由擺球架204懸掛在真空腔207內(nèi)部，擺球架204固定在真空腔207上，真空腔207由透明絕緣材料制成，其內(nèi)部抽成真空以盡量避免金屬擺球206擊穿空氣放電。真空腔207上下均安裝有絕緣材料制成的線圈支架，上部支架201和下部支架210。兩支架內(nèi)部均為空心，上部支架201內(nèi)部裝有上鐵芯202，外部繞有上線圈203，下部支架內(nèi)部裝有下鐵芯209，外部繞有下線圈208。兩線圈與下部支架上的電源212和開關(guān)211連接。當(dāng)接通開關(guān)211時(shí)可以使兩線圈中通有同方向直流電流，使真空腔207處于較強(qiáng)的磁場(chǎng)環(huán)境中，兩鐵芯的作用是來增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。改變開關(guān)211擋位可以改變電流方向，進(jìn)而改變兩線圈形成的磁場(chǎng)方向。

圖3 洛侖茲力演示儀部分剖面圖

圖4 洛侖茲力演示儀的整體結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)中，使金屬擺球206帶上電荷后，斷開金屬球腔和金屬擺球的導(dǎo)線連接?；蝿?dòng)整個(gè)洛倫茲力演示儀。使其內(nèi)部的金屬擺球206做大幅度的圓錐擺運(yùn)動(dòng)后保持儀器穩(wěn)定，待金屬擺球206穩(wěn)定圓錐擺旋轉(zhuǎn)后，接通開關(guān)211使金屬擺球處于豎直方向的磁場(chǎng)中。此時(shí)因金屬擺球206本身帶有大量電荷，又以垂直磁場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)，金屬擺球206會(huì)受到一個(gè)垂直擺球運(yùn)動(dòng)方向的水平洛倫茲力作用。金屬擺球206在突然出現(xiàn)的水平洛倫茲力作用下，圓錐擺的運(yùn)動(dòng)半徑會(huì)突然改變。在一個(gè)新的高度上繼續(xù)做圓錐擺運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)通過對(duì)圓錐擺運(yùn)動(dòng)的金屬帶電小球突然施加一個(gè)徑向的洛倫茲力改變帶電小球的運(yùn)動(dòng)軌跡，將洛倫茲力的作用顯現(xiàn)出來。

3.洛倫茲力演示儀器的使用方式

(1)探究磁場(chǎng)方向?qū)β鍌惼澚Φ挠绊?/p>

當(dāng)金屬擺球206帶負(fù)電后，晃動(dòng)整個(gè)演示儀使金屬擺球在軌跡1位置做圓錐擺運(yùn)動(dòng)(如圖5所示)后，啟動(dòng)開關(guān)211選擇擋位使上線圈203和下線圈208通電流后形成向下的磁場(chǎng)。金屬小球206因?yàn)槭艿街赶騼?nèi)側(cè)的洛侖茲力作用，其運(yùn)動(dòng)軌跡由軌跡1迅速變成軌跡2，可以明顯看到洛侖茲力的作用。斷開開關(guān)211后，金屬小球206會(huì)因?yàn)槭チ舜艌?chǎng)環(huán)境而失去洛侖茲力會(huì)回到軌跡1位置圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)將開關(guān)211接通到第二檔位使上線圈203和下線圈209通電流后形成向上的磁場(chǎng)，此時(shí)金屬小球206因?yàn)槭艿街赶蛲鈧?cè)的洛侖茲力作用，其運(yùn)動(dòng)軌跡由軌跡1迅速變成軌跡3(如圖6所示)。

(2)探究電荷運(yùn)動(dòng)方向?qū)τ诼鍌惼澚Φ挠绊?/p>

當(dāng)金屬擺球206帶負(fù)電后，晃動(dòng)整個(gè)演示儀使金屬擺球在軌跡1位置做圖5中的圓錐擺運(yùn)動(dòng)后，啟動(dòng)開關(guān)211選擇擋位使上線圈203和下線圈208通電流后形成向下的磁場(chǎng)。金屬小球206因?yàn)槭艿街赶騼?nèi)側(cè)的洛侖茲力作用，其運(yùn)動(dòng)軌跡由軌跡1迅速變成軌跡2，可以明顯看到洛侖茲力的作用。關(guān)閉開關(guān)后反向晃動(dòng)演示儀使金屬擺球在軌跡1位置反向圓錐擺運(yùn)動(dòng)。啟動(dòng)開關(guān)211選擇擋位使上線圈203和下線圈208通電流后仍形成向下的磁場(chǎng)，此時(shí)帶電金屬擺球206受到向外的洛倫茲力作用迅速變化到4軌道做圓周運(yùn)動(dòng)(如圖7所示)。

圖5

圖6

圖7

四、洛倫茲力演示儀器的優(yōu)點(diǎn)

(1)實(shí)驗(yàn)效果明顯，課堂吸引力強(qiáng)。

(2)巧妙地將范式起電機(jī)與洛倫茲力、圓周運(yùn)動(dòng)結(jié)合，可以用來驗(yàn)證電學(xué)，磁學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)等多種物理原理。

(3)本設(shè)計(jì)以宏觀的帶電體來顯示洛倫茲力的作用，將洛倫茲力宏觀化。

(4)本設(shè)計(jì)結(jié)實(shí)耐用、不易損壞、使用周期長(zhǎng)、展示效果明顯。

(5)本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以推廣使學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。