“可視化實驗”在高中物理創新實驗教學中的運用
——利用硫酸銅溶液演示磁場對運動電荷的作用力

呂 磊 張 引 李進輝

廣東省珠海市實驗中學(519090)

洛倫茲力是電磁學的重要內容,也是高考考查的重點和難點。帶電粒子在磁場中運動受到洛倫茲力的作用,比較抽象、難理解、不容易掌握,學生學習時只是簡單機械地記憶物理規律(畫圖和套公式等),不能很好的理解和把握規律得出的過程。筆者嘗試自制教具將帶電粒子在磁場中的運動軌跡進行可視化實驗,收到了較好的效果。

1 實驗目的

(1)利用硫酸銅溶液演示磁場對運動電荷的作用力——洛倫茲力。

(2)通過“可視化實驗”讓學生真實感受到洛倫茲力的存在。

(3)培養學生通過設計實驗、觀察實驗現象、歸納總結、探索規律的能力。

2 實驗原理

當硫酸銅溶液中通入學生直流電后,可使溶液中的自由離子產生定向移動,在磁場的影響下受到洛倫茲力,從而帶動溶液旋轉,做勻速圓周運動[1]。

3 實驗器材

培養皿、硫酸銅溶液、導線、學生直流電源、油性彩色顏料(不溶于硫酸銅溶液)、強磁鐵等。實驗裝置圖見圖1。

圖1 實驗裝置圖

4 實驗步驟

(1)將干凈的培養皿放在實驗臺上,選取2條銅導線,其中1條做成螺旋狀,并放在培養皿中心處,另一條緊靠在培養皿的邊緣處。

(2)再將2條銅導線另外一端分別接到學生電源的直流電壓接線柱上。

(3)將適量的硫酸銅溶液注入培養皿中。

(4)先接通電源,觀察硫酸銅溶液的變化情況,關閉電源。

(5)然后在培養皿下方放置強磁鐵,再次接通電源,觀察硫酸銅溶液變化情況,關閉電源。

(6)將3種彩色顏料輕輕地滴在硫酸銅溶液表面,如圖2所示;再次接通電源,觀察溶液表面油性彩色顏料的運動情況, 如圖3所示。

圖2 滴入3種油性彩色顏料

圖3 3種顏料形成旋渦狀圖形

(7)關閉電源,整理器材,實驗結束。

5 實驗現象與結論

圖3是通入學生直流電后,硫酸銅溶液在洛倫茲力的作用下轉動,并帶動其表面上紅、黃、黑3種彩色顏料一起轉動,形成3種顏色漩渦狀的彩帶,最終混合在一起。

結論:通過本實驗,很直觀地看到了帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力的作用做勻速圓周運動的現象。

6 注意事項

(1)硫酸銅溶液倒入培養皿中,一定要完全浸沒過螺旋狀銅導線。

(2)一定要接學生電源直流電壓檔,電壓應控制在4～8 V。

(3)強磁鐵要放置在培養皿的正中央下方。

(4)將彩色顏料滴入溶液時,要保證3種彩色顏料界限分明。

7 實驗創新與反思

(1)本實驗利用油性彩色顏料不溶于硫酸銅溶液的特性,將硫酸銅溶液在磁場中受到洛倫茲力作用做勻速圓周運動的軌跡清晰地展示出來,既形象又生動[2]。

(2)教材中是用洛倫茲力演示儀器進行演示,實驗器材比較昂貴而且不太方便操作,而改進后的實驗器材成本低、取材方便,并且實驗現象比較明顯。

(3)本實驗不僅可以用于新授課的導入實驗,還可以在教學中組織學生進一步探究洛倫茲力方向遵循的左手定則[3]。

8 結束語

教師帶領學生通過自己動手以及同學間的協作,共同完成這個創新實驗,培養了學生合作、交流、互助的精神。通過“可視化實驗”讓學生認識到洛倫茲力的存在,進而培養學生熱愛生活、實事求是的科學態度,激發學生探索與創新的意識,很好地落實了對學生物理學科核心素養的滲透與培養[4]。