(吉林師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 四平 136000)

為形象地說明通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的情況，人教版選修3-1第三章第4節(jié)的“做一做”欄目以“旋轉(zhuǎn)的液體”為主題進(jìn)行了別開生面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即將通電電解液看做導(dǎo)線，通過研究電解液的旋轉(zhuǎn)分析通電導(dǎo)線的受力.該實(shí)驗(yàn)思路清晰，取材簡單，但在具體的操作中我們發(fā)現(xiàn)需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，方能使現(xiàn)象更加明顯.

1 原有實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及問題

圖1

教材的原有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：“在玻璃皿中心放置一圓柱電極，沿邊緣內(nèi)壁放一個(gè)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(chǎng)中，液體會(huì)旋轉(zhuǎn)起來”(如圖1).

按照書中設(shè)計(jì)所取得的實(shí)際效果不盡如人意，液體旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象不明顯，很難適應(yīng)演示教學(xué)的要求.根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，即F=ILBsinθ，可以從電流和磁場(chǎng)兩條線索尋找改進(jìn)措施.研究發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)存在以下兩個(gè)問題：

一是電流的來源：在實(shí)驗(yàn)中，如果選用干電池，即使不斷增大電壓，直至9V，器皿中的液體旋轉(zhuǎn)得也不明顯，轉(zhuǎn)動(dòng)得非?！俺粤Α保也怀志?經(jīng)過分析，原因在于普通干電池會(huì)因?yàn)橥怆娐返慕饘俳z電阻過小而使電池接近短接的狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致干電池出現(xiàn)極化現(xiàn)象：電池內(nèi)部很快產(chǎn)生大量的熱、內(nèi)阻增大、電流減小，進(jìn)而所產(chǎn)生的安培力很小，無法明顯驅(qū)動(dòng)溶液旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)象不明顯.

二是磁場(chǎng)的來源：實(shí)驗(yàn)室常見的U形磁鐵尺寸較小，常見規(guī)格為：高度為60mm，深度為70mm，寬度為20mm，較大一些的寬度也不過30mm.寬度過小、高度較低將不利于穩(wěn)定置放玻璃皿，視野局促，更不利觀察.另外，實(shí)驗(yàn)室中常用的U形磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度較小，而口徑處的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化較大，磁場(chǎng)不均勻，有的教師即使用了三塊蹄形磁鐵并排放置，電流通過的氯化鈉電解液旋轉(zhuǎn)效果依然不佳.

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)與現(xiàn)象分析

(1)改進(jìn)裝置

在電流源方面，我們將電池?fù)Q成4.5V的穩(wěn)壓直流電源，調(diào)至1A電流檔位，以此克服電流不穩(wěn)定的問題.在磁場(chǎng)來源方面，選用平板型的磁懸浮演示用的強(qiáng)磁鐵，它能夠提供豎直向上的接近勻強(qiáng)的磁場(chǎng).圓柱形電極可以使用長一些的平頭螺絲，改進(jìn)所需器材如圖2所示.

圖2

(2)操作與現(xiàn)象

用鐵絲圍成一個(gè)線圈，充當(dāng)負(fù)極；為使裝置穩(wěn)定，留出一個(gè)端點(diǎn)用鱷魚夾將其固定在器皿邊緣處，并接在電路中；將金屬螺絲平頭朝下置于食鹽溶液中充當(dāng)正電極，圓環(huán)狀鐵圈充當(dāng)負(fù)極.由于金屬螺絲電極與器皿下面的磁鐵吸引而能夠比較穩(wěn)固地立置于電解質(zhì)液體中(如圖3).

通電過程中，能較容易地看到液體由靜到動(dòng)，加速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)由于氯化鈉液體不斷地被電離出氯氣，液體會(huì)逐漸變暗黃.

通過這種重新的設(shè)計(jì)組合，液體的轉(zhuǎn)動(dòng)效果非常明顯.另外，為了方便距離較遠(yuǎn)的學(xué)生觀察，可以使用實(shí)物投影儀，或者在液面上適當(dāng)撒些花瓣，突出旋轉(zhuǎn)過程，安培力方向也更容易被判定.

圖3