曹友燉

摘 要：根據(jù)新課標培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的理念，利用簡易自制教具進行實驗探究，往往可觀察到明顯的實驗現(xiàn)象，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力;本文介紹通過自制教具對影響洛倫茲力大小方向的因素進行定性探究。

關(guān)鍵詞：自制教具;實驗探究;洛倫茲力

“磁場對運動電荷的作用”相關(guān)知識較為抽象，因此通過實驗化抽象為形象，幫助學(xué)生掌握相關(guān)的物理知識顯得很有必要。傳統(tǒng)教學(xué)通常利用連接高壓電源的陰極射像管電子束在磁場中的偏轉(zhuǎn)進行實驗探究，由于儀器的短缺，只能教師進行演示，無法進行分組實驗，學(xué)生沒能親身動手操作和體會，實驗的探究性和趣味性受到影響;筆者利用一些簡易的材料自制實驗教具，彌補儀器短缺問題，讓學(xué)生進行分組實驗探究，提升實驗探究效果。

1.自制實驗教具介紹

用培養(yǎng)皿裝少量碳酸氫鈉（小蘇打）溶液，加上由培養(yǎng)皿中心指向器壁的發(fā)散電場，陰陽離子將沿半徑方向定向移動，再將溶液置于豎直方向的磁場中，溶液將發(fā)生轉(zhuǎn)動;通過溶液轉(zhuǎn)動的快慢和轉(zhuǎn)動的方向來探究影響洛倫茲力大小方向的因素。

2.制作方法及原理

按照圖1所示，把一厘米寬的鐵皮貼在培養(yǎng)皿的內(nèi)壁上，倒入少量的小蘇打溶液，輕輕撒上稍許痱子粉，使其漂浮在溶液表面，培養(yǎng)皿的中心插入石墨條，培養(yǎng)皿下方墊上磁鐵，并將電源正負極分別連接到石墨和鐵皮，構(gòu)建實驗裝置。

該裝置的實驗原理：碳酸氫鈉水解為Na+和HCO3-，為溶液提供了陰、陽兩種離子。用石墨條插入培養(yǎng)皿的中心，石墨接電源正極，鐵皮接電源負極，能夠形成由石墨指向鐵皮的扇形電場。在電場力作用下，陽離子將沿半徑方向由石墨向鐵皮運動，陰離子將由鐵皮向石墨運動，形成運動電荷。培養(yǎng)皿下方墊上磁鐵（N極向上）如圖2所示，運動的陽離子受到垂直于半徑順時針方向的洛倫茲力，陰離子也受到順時針方向的洛倫茲力。微觀粒子的運動情況，可以通過痱子粉的運動直觀展現(xiàn)出來，觀察到溶液順時針轉(zhuǎn)動的實驗現(xiàn)象。

3.實驗案例——教學(xué)中教具的應(yīng)用

教學(xué)實施過程中，教師可以準備好材料進行分組探究，逐步引導(dǎo)實驗的操作環(huán)節(jié)，學(xué)生在探究過程中循序漸進的揭示其中的物理規(guī)律，提升學(xué)生探究學(xué)習效果。將“磁場對運動電荷的作用”的分組實驗探究內(nèi)容進行拆解，可以先探究磁場對運動電荷是否有力的作用，建立深入探究的理論基礎(chǔ);再從影響洛倫茲力方向和大小兩個維度進行探究，提高學(xué)生物理知識建構(gòu)的準確性和全面性。

探究一：磁場對運動電荷是否有力的作用

實驗1：石墨與鐵皮接通電源，培養(yǎng)皿下方不墊磁鐵與墊磁鐵兩種不同情況下，實驗現(xiàn)象有什么區(qū)別？

現(xiàn)象1：不墊磁鐵溶液不會轉(zhuǎn)動;墊上磁鐵后溶液轉(zhuǎn)動了。

結(jié)論1：接通電源時，陰陽離子沿半徑方向定向移動，溶液順時針轉(zhuǎn)動，說明離子受到了順時針方向的力，即磁場對運動的電荷有力的作用。

探究二：影響洛倫茲力方向的因素

實驗2：如圖2所示，第一步，石墨接電源正極，鐵皮接負極，磁鐵N極朝上，觀察溶液轉(zhuǎn)動方向;第二步，改變電源正負極，觀察溶液的轉(zhuǎn)動方向;第三步，改變磁鐵方向（S極朝上），再觀察溶液轉(zhuǎn)動方向。

現(xiàn)象2：第一步溶液順時針方向轉(zhuǎn)動，第二步逆時針方向轉(zhuǎn)動，第三步順時針方向轉(zhuǎn)動。

結(jié)論2：無論是改變電流方向（電荷運動方向）還是改變磁場方向，溶液轉(zhuǎn)動方向都會發(fā)生改變，由此可知洛倫茲力方向與電荷運動方向、磁場方向有關(guān)。

探究三：影響洛倫茲力大小的因素

實驗3：如圖2所示，第一步，墊一塊磁鐵，石墨與鐵皮連接一節(jié)，兩節(jié)，三節(jié)干電池的情況下，分別記錄20s時間內(nèi)溶液轉(zhuǎn)動的圈數(shù);第二步，石墨與鐵皮連接一節(jié)干電池，墊一塊，兩塊，三塊磁鐵的情況下，再分別記錄20s時間內(nèi)溶液轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。

現(xiàn)象3：第一步溶液轉(zhuǎn)動的圈數(shù)分別約為2.5圈，3.8圈，4.5圈;第二步溶液轉(zhuǎn)動的圈數(shù)分別約為2.5圈，3.2圈，3.7圈。

結(jié)論3：增加電池節(jié)數(shù)和磁鐵塊數(shù)都能提高轉(zhuǎn)數(shù)，說明電荷運動速度越大，磁場越強，洛倫茲力也越大。

4.教具創(chuàng)新之處及教學(xué)作用

該教具材料簡易，制作簡單，實驗現(xiàn)象明顯，便于分組，讓學(xué)生親身體會探究過程，帶來了更加深刻的實驗體驗，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，有助于高中物理核心素養(yǎng)的落實，同時也增添了課堂學(xué)習的趣味性。通過此教具，化微觀的洛倫茲力為宏觀的溶液轉(zhuǎn)動進行觀察，實驗圍繞“溶液轉(zhuǎn)動”展開對“磁場對運動電荷的作用”深入探究，突破教學(xué)的重難點，讓抽象的物理問題變得更加形象直觀，學(xué)生在學(xué)習中積極的思考猜想，并通過親自動手實驗進行探究驗證，避免了空洞乏味的講解，幫助學(xué)生從不同維度認識磁場對運動電荷的作用。另外，“溶液轉(zhuǎn)動”為后面的帶電粒子在勻強磁場中的圓周運動起到一定的鋪墊作用，對學(xué)生后繼章節(jié)的學(xué)習產(chǎn)生積極的影響。

5.結(jié)語

自制教具的教學(xué)價值并不單單體現(xiàn)在這一個課時的教學(xué)中，教師只要用心開發(fā)定能將各式各樣的自制教具應(yīng)用到不同章節(jié)教學(xué)當中，使自制教具更好的走進物理教學(xué)，讓學(xué)生“動”起來，讓課堂“活”起來。

參考文獻

[1]呂麗鳳.以自制教具提升物理實驗教學(xué)質(zhì)量[J].教師，2018（03）：23-25.

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