張香保,黃 彬,郭利剛

(1.東甌中學(xué),浙江 溫州 325000;2.北京師范大學(xué)附屬杭州中學(xué),浙江 杭州 310002)

1 教材中“旋轉(zhuǎn)液體”實(shí)驗(yàn)的不足

為讓學(xué)生親自觀察體驗(yàn)通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力，文獻(xiàn)[1]安排了以“旋轉(zhuǎn)的液體”為主題的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示，在玻璃皿中心放置一圓柱電極，沿邊緣內(nèi)壁放圓環(huán)形電極，分別與電池兩極相連，玻璃皿中放入鹽水作為導(dǎo)電液體. 在U形磁鐵的磁場中，液體會旋轉(zhuǎn)起來.

圖1 教材中“旋轉(zhuǎn)的液體”實(shí)驗(yàn)裝置圖

該設(shè)計(jì)主要存在以下問題：

1)玻璃器皿容易破裂，不利于安全操作.

2)電源電池組需6節(jié)干電池才觀察到液體緩慢的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，若直接與導(dǎo)電液體中的導(dǎo)線連接容易產(chǎn)生電路短路.

3)導(dǎo)電液體使用NaCl溶液. 溶液的離子濃度較小，溶液導(dǎo)電性并不理想；高離子濃度的NaCl溶液在電離過程中會產(chǎn)生Cl2，不符合環(huán)保的要求；NaCl溶液為無色透明液體，即使NaCl溶液發(fā)生旋轉(zhuǎn)也不易于實(shí)驗(yàn)觀察.

4)常見的U形磁鐵寬度較小，不利于穩(wěn)定放置盛裝導(dǎo)電液體的器皿，并且其磁感應(yīng)強(qiáng)度相對較小，不同部位磁感應(yīng)強(qiáng)度相差很大，對通電導(dǎo)體產(chǎn)生的作用力較小而不足以使得導(dǎo)電液體發(fā)生旋轉(zhuǎn). 使用U形磁鐵會使得實(shí)驗(yàn)操作空間變窄，視野方位受到一定限制，更不好將其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象投影到屏幕.

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)措施

針對以上問題對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)所需器材如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)所需器材

1)實(shí)驗(yàn)中盛裝導(dǎo)電溶液的容器選用直徑約為100 mm透明的干果塑料食品瓶替代玻璃器皿，實(shí)驗(yàn)器材取材方便且操作安全簡便.

2)實(shí)驗(yàn)電源選用學(xué)生電源替代干電池，將學(xué)生電源的擋位調(diào)至直流電壓擋，這樣可以避免因干電池消耗過快而影響實(shí)驗(yàn)效果，外接滑動變阻器和開關(guān)，這樣使電路結(jié)構(gòu)更具完整性和規(guī)范性，同時(shí)又方便調(diào)節(jié)導(dǎo)電液體所加電壓和電流. 電路實(shí)物連接如圖3所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)電路實(shí)物連接圖

4)實(shí)驗(yàn)磁場來源選用圓柱平板型的銣鐵硼磁鐵替代U形磁鐵，它不僅能夠提供軸向(豎直方向)的磁場，而且有利于平穩(wěn)放置盛裝導(dǎo)電液體的器皿，同時(shí)使實(shí)驗(yàn)操作空間變大，觀察視野變大.

在演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以方便利用實(shí)物投影儀將器皿中液體旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象投影到屏幕上.

5)圓柱形中心電極宜選用鐵質(zhì)螺栓(長約為150 mm,直徑約為10 mm)，置于導(dǎo)電容器底部被磁鐵吸引穩(wěn)定立于容器中央. 實(shí)驗(yàn)時(shí)，為防止電路電流過大，開始實(shí)驗(yàn)時(shí)電壓不宜過大，隨著液體旋轉(zhuǎn)后，可以將電壓再逐漸增加.

6)為進(jìn)一步增加實(shí)驗(yàn)的可見度，導(dǎo)電液體不宜過多，同時(shí)可以在藍(lán)色的CuSO4溶液表面放置少量顆粒狀塑料泡沫.

3 結(jié)束語

通過對實(shí)驗(yàn)裝置和操作的改進(jìn)，使實(shí)驗(yàn)取材更加方便、操作更加規(guī)范、現(xiàn)象更加明顯，實(shí)驗(yàn)更具節(jié)能和環(huán)保性，符合綠色實(shí)驗(yàn)要求. 利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，還可以進(jìn)一步完成探究安培力和洛倫茲力的關(guān)系實(shí)驗(yàn),磁場對大量徑向移動的離子產(chǎn)生的洛倫茲力的合力——安培力，引起液體作圓周運(yùn)動. 另外，在電路中串接電流表還可以進(jìn)行半定量研究或定量研究.