物理试验论文-厦门大学附属试验中学.DOC

一种洛仑兹力演示实验设计 厦门大学附属实验中学 王青平 摘要：运动电荷在磁场中受到洛仑兹力，可以用洛仑兹力演示仪演示。但是此种仪器笨重，教师不方便随堂携带。利用溶液中带电离子在电场和磁场中的运动，可以比较简明的演示离子所受洛仑兹力的情况。 关键词：洛仑兹力，电场，磁场，带电离子 Abstract:The Lorentz Force demonstrator can be used to demonstrate the moving of charges in magnetic field. But this device is bulky and inconvenient for teachers to carry into classrooms. Teachers also can demonstrate the Lorentz Force by the making use of some unique moving characters of the charged ions that is in solution as well. Keywords: Lorentz force, electric field, magnetic field, charged ions 由高中物理电学知识可以知道，带电粒子在磁场中受到的洛仑兹力为：（q为粒子带电量，为磁场的磁感应强度，为带电粒子的速度。洛仑兹力演示仪（如图1所示）可以使学生直观感受到洛仑兹力作用。但是这种仪器比较笨重，教师不宜随堂携带。这里介绍设计一种简单的实验供学生自己动手操作。 图1 洛仑兹力演示仪 1、实验原理 把一个细圆柱形的的电极置于一个100ml的烧杯中，烧杯底端放上一个薄金属铜片作为另一电极。往烧杯中注入和溶液。铜电极带电之后，会形成发散型的辐射电场（如图2所示）。由于溶液中存在带电离子，在辐射电场作用下，将产生径向运动。如果在烧杯外面加上一个比较大马蹄形磁铁（如图3所示），因为该磁场较强，并且具有垂直方向上的分量，带电离子受到洛仑兹力作用，溶液发生旋转。旋转方向由左手定则来判定。这样从宏观表现出来就形成了烧杯中的液流弧线运动，形成旋涡。由于洛仑兹力为（q为粒子带电量，为磁场的磁感应强度，为带电粒子的速度）。在溶液中，电场强度恒定的情况下，电流（代表单位体积内带电离子的数目，为单个离子的带电量，是离子运动速度大小，是液流横截面积）。在同一种导体中，，和是保持不变的，因此电流与离子定向运动的速率成正比，可以这么说：电荷定向运动的速率越大，电流就越大。可见电流强度是影响洛仑兹力大小的主要因素。 图2 发散型的辐射电场 但是，我们知道，在溶液里面，存在的单一溶质产生的带电离子不会很多，所以就需要尽可能多的加入多的溶质，这样才会出现较大的电流，引起溶液流动。所以这也是需要在水中间加入和两种溶质的原因。加入到水中，会显现出蓝色，因此当水在烧杯里面旋转起来之后，会非常直观地看出来，学生可以据此来验证洛仑兹力的左手定则是否正确。 图3 实验装置 2、实验步骤 1.将配有铜电极的烧杯置于实验台上，倒入食盐水和放入溶质，并且使铜电极淹没； 2.用导线使其与事先准备好6—10V的直流电源接通。电源不可以过大，以防出现危险。观察溶液的运动情况，并做好记录。 3、将一个大号蹄形磁铁置如图所示置于烧杯处。观察在此种情况下，液体的运动情况，并分析与第二步的不同，并且做好记录。分析产生此运动情况的原因是什么。（可以看到蓝色的溶液缓慢的旋转起来，形成小旋涡。学生就可以据此观察实验，验证产生洛仑兹力的左手定则。） 4、感兴趣的同学，还可以在原实验装置的基础上，装上一个数字示波器（如图4所示）。往溶液中再加入，改变溶液浓度，看示波器图形的的变化。根据欧姆定律（U为数字示波器显示所示的电压，R为电阻阻值）。 图4 给实验装置装上示波器 3、影响实验现象的因素 我们知道，实验能否成功，与溶液中的带电离子的运动速率是有休戚相关的。影响离子速率最主要是溶液浓度，还有环境的温度，与溶液在电极处的电解相关。在一定温度下，当溶液的浓度增加时，单位体积内的带电离子的数目就会增多，电流强度会增大。从电化学知识可知，当电极两端加入电压时，必然具有电场，带电离子会在溶液中分别向电极的两端定向移动，并且正离子向负电极聚集，负离子向正电极聚集。由于电极两端电荷的聚集，会形成一个和外加电场反向的电场；同时，随着电解质浓度的增加，正负离子之间的相互作用加强，会使得溶液导电率下降。 综上所述，电解质溶液浓度的增加使溶液导电离子数目增加，会使溶液导电能力加强，而反向电场和离子之间的相互作用会使溶液导电能力减弱。所以存在某一特定值，当溶液浓度为该值时，其导电能力最强，在这种情况，才能保证实验成功