对教材“旋转的液体”的实验改进研究

(吉林师范大学物理学院，吉林 四平 136000)

为形象地说明通电导线在磁场中所受安培力的情况，人教版选修3-1第三章第4节的“做一做”栏目以“旋转的液体”为主题进行了别开生面的实验设计，即将通电电解液看做导线，通过研究电解液的旋转分析通电导线的受力.该实验思路清晰，取材简单，但在具体的操作中我们发现需要进行适当调整，方能使现象更加明显.

1 原有实验的设计及问题

图1

教材的原有实验设计如下：“在玻璃皿中心放置一圆柱电极，沿边缘内壁放一个圆环形电极，分别与电池两极相连，玻璃皿中放入盐水作为导电液体.在U形磁铁的磁场中，液体会旋转起来”(如图1).

按照书中设计所取得的实际效果不尽如人意，液体旋转现象不明显，很难适应演示教学的要求.根据实验原理，即F=ILBsinθ，可以从电流和磁场两条线索寻找改进措施.研究发现，该设计存在以下两个问题：

一是电流的来源：在实验中，如果选用干电池，即使不断增大电压，直至9V，器皿中的液体旋转得也不明显，转动得非常“吃力”，且不持久.经过分析，原因在于普通干电池会因为外电路的金属丝电阻过小而使电池接近短接的状态，进而导致干电池出现极化现象：电池内部很快产生大量的热、内阻增大、电流减小，进而所产生的安培力很小，无法明显驱动溶液旋转，现象不明显.

二是磁场的来源：实验室常见的U形磁铁尺寸较小，常见规格为：高度为60mm，深度为70mm，宽度为20mm，较大一些的宽度也不过30mm.宽度过小、高度较低将不利于稳定置放玻璃皿，视野局促，更不利观察.另外，实验室中常用的U形磁铁的磁感应强度较小，而口径处的磁场强度变化较大，磁场不均匀，有的教师即使用了三块蹄形磁铁并排放置，电流通过的氯化钠电解液旋转效果依然不佳.

2 改进设计与现象分析

(1)改进装置

在电流源方面，我们将电池换成4.5V的稳压直流电源，调至1A电流档位，以此克服电流不稳定的问题.在磁场来源方面，选用平板型的磁悬浮演示用的强磁铁，它能够提供竖直向上的接近匀强的磁场.圆柱形电极可以使用长一些的平头螺丝，改进所需器材如图2所示.

图2

(2)操作与现象

用铁丝围成一个线圈，充当负极；为使装置稳定，留出一个端点用鳄鱼夹将其固定在器皿边缘处，并接在电路中；将金属螺丝平头朝下置于食盐溶液中充当正电极，圆环状铁圈充当负极.由于金属螺丝电极与器皿下面的磁铁吸引而能够比较稳固地立置于电解质液体中(如图3).

通电过程中，能较容易地看到液体由静到动，加速旋转，同时由于氯化钠液体不断地被电离出氯气，液体会逐渐变暗黄.

通过这种重新的设计组合，液体的转动效果非常明显.另外，为了方便距离较远的学生观察，可以使用实物投影仪，或者在液面上适当撒些花瓣，突出旋转过程，安培力方向也更容易被判定.

图3