创新和改进实验仪器 优化物理教学——用旋转的液体探究安培力实验

顾海涛

(安徽省颍上第二中学 安徽 阜阳 236200)

1 制作的意图

安培力的大小和方向是物理学中一个很重要的知识点.随着高考的改革,结合生活、生产实际,考查学生解决实际问题的能力越来越突出.而以往的实验仪器，很难展示出安培力产生过程中出现的一些现象，无法让学生进行探究式学习，因此笔者研究了旋转的液体探究安培力实验，用来引导学生在学习中进行思考，进行探究，让学生体验科学探究过程，领会科学探究方法，让学生在学习知识的过程中提升能力.

2 实验设计方案

2.1 实验制作器材

漆包线大概450匝，少许氢硫酸和水，直径约为10 cm的透明玻璃水槽，电阻值约20 Ω的变阻器一个，金属螺丝一枚，铝质易拉罐一个(剪制成一个高约3 cm,直径约为10 cm的圆周电极)，外绕白铁皮一块，教学电源两个.

教材装置与改进后的装置对比图如图1所示.

图1

2.2 装置特点及用途

(1)特点

a．把挡住视线的蹄形磁铁(产生磁场)改为绕在玻璃槽上的通电螺线管(内为匀强磁场)，且盛液体的容器为透明玻璃槽，使得实验可以在实物投影仪上做，这样就大大提高了实验的可见度.

b．通过增减通电螺线管的线圈的电压，改变磁感应强度的大小；改变通电螺线管的电流方向，就可以改变磁感应强度的方向.

c．通过调节滑动变阻器的触头，有效地改变电解液中的电流(受安培力的电流)大小；交换电解池中两电极与电路的接线也就改变了磁场中电流的方向.

d．把导电液氯化钠溶液改为氢硫酸溶液，电解反应也由氯化钠水溶液电解变为水电解；电解产物由有剧毒的氯气、强碱氢氧化钠、氢气变为安全无毒的氢气和氧气.

(2)用途

a．可以验证左手定则.

b．可以探究安培力方向的决定因素及安培力的方向和导线方向(电流方向)、磁感应强度方向的关系.

c．可以探究通电导线与磁感应强度方向垂直，且导线长度不变时，安培力的大小与电流大小的定性关系.

2.3 实验操作

实验1:验证左手定则

(1)用一次性杯将一杯多点的水倒入玻璃槽中，再将适量氢硫酸溶解在水中.

(2)连接好螺线管电路.

(3)将石墨电极放入玻璃槽中心，铝质圆周形电极沿玻璃槽内壁插入到底.连接好电解槽电路,

(4)调节螺线管电路,螺线管接入电路电源电压调为20 V，调节变阻器，使电路中电流最大且电源不过载.

(5)调节电解槽电路,电源电压为8 V，接通电路，调节滑动变阻器改变电路中的电流，可以观察到两极上有气泡产生，分别为氢气和氧气.

(6)在电解液中放入一些颗粒，即可以看到颗粒在液体中旋转.可知液体在旋转.

图2

本实验中,安培力的方向是液体旋转的方向，沿水平方向，如图2所示.磁感应强度的方向由螺线管决定，沿垂直方向.电流方向由电解槽的正极指向负极，沿水平方向.

实验2:探究安培力方向的决定因素及左手定则

探究1:电流在磁场中受到安培力的作用，安培力与磁场方向的关系怎样？

(1)前面6个步骤与实验1相同.

(2)保持磁场的电流方向不变，改变磁场方向即改变线圈中的电流方向，观察液体旋转方向是否发生改变即安培力方向是否变化.若变化，则磁场方向是安培力方向的决定因素.

探究2：电流在磁场中受到安培力的作用，安培力与磁场方向的关系怎样？

(3)保持磁场方向不变，改变磁场中的电流方向即保持线圈中的电流方向不变，改变电解液中的电流方向.观察液体旋转方向是否发生改变即安培力的方向是否变化.若变化，则电流方向是安培力方向的决定因素.

(4)同时改变电流方向和磁场方向，再次观察安培力的方向是否改变，由以上实验可以知道决定安培力方向的因素是磁场方向和电流方向.

探究3:安培力方向、磁场方向、电流方向三者的关系怎样呢？

(5)重做步骤(2)、(3)、(4)，注意观察安培力方向、磁场方向、电流方向关系，归纳总结可以得出左手定则.

实验3：定性探究在导线(电流)与磁场垂直且导线长度一定时，安培力的大小与磁感应强度的大小、电流的大小之间的关系

(1)前面6个步骤与实验1相同.

(2)只改变螺线管回路中接入电路的线圈的电压从而改变磁感应强度的大小，观察液体旋转快慢，可以知道安培力的大小是否改变，从而知道安培力随磁感应强度的增大而增大.

(3)只改变电解槽电路中滑动变阻器触头位置从而改变磁场中电流的大小，观察液体旋转的快慢，可以知道安培力随电流的减小而减小.

3 本实验的创新之处

3.1 针对课本已有实验进行改进 使实验更简洁

繁琐的实验比简单的概念更让人迷惑.因此，实验装置要简洁，实验操作要简便，实验原理要简明.我们应针对课本中某些繁琐的实验进行改进，使实验更简洁，只有“简”的实验才能突出重点，才有利于集中学生的注意力，有利于学生观察实验现象，更有利于学生掌握实验装置的原理和进行实验操作.

3.2 将演示实验改为学生实验 加深学生的印象

由演示实验改为学生实验，让学生由单纯的观察学习转为亲自动手实践探索，不仅能帮助学生通过实验探究，成功地得出结论，而且能使学生更深刻地理解物理概念、掌握物理规律等.

3.3 自制实验装置 加强学生对物理概念的理解

物理中的概念、规律、法则、定律等往往枯燥无味，其本身并不具有吸引学生注意力的属性，学生往往毫无兴趣，但对奇异的物理现象却表现出强烈的好奇心.因此一个成功的实验能诱发学生积极思考，从而激励学生参与解决问题的热情，这样不但使学生掌握了有关物理知识，更增加了学生从实验探究中获取知识的意识和能力.

总之，新课改理念下的物理实验仪器的创新设计应服从于教学，要让学生在使用仪器做实验的过程中体验到科学探究过程，领会科学探究方法，在掌握知识与技能的过程中受到情感态度与价值观的熏陶.