改制安培力实验演示仪

陈子戎

问题的提出

物理课上，老师带领我们去实验室验证安培力的存在及其方向。根据教材中相关提示，我在老师的指导下用到了以下实验器材：一块马蹄形磁铁，铁架台，轻质导线，学生电源。

实验步骤是这样的：分别给导线的两端接上电源的正极和负极，然后接通开关，便可看到导线向外移动。在具体操作中，我发现这个实验对精准度的要求较高，而且实验现象并不是很明显，特别是实验器材——马蹄形磁铁在生活中并不常见，同时还需要解决磁铁固定等问题，并不适合我们学生在日常生活中进行探究和学习。

课后，我便一直在思考有没有更简便可行的实验方案。马蹄形磁铁不易寻找，但只要有相同功效的其他磁铁都应该可以替代。其他一些器材是不是也可以找到更好的物品替代呢？我想起家中有个年久失修、废弃不用的旧音响，里面有块环形磁铁。带着迫切而期待的心情，我卸下家中音响中的磁铁，第二天就带到学校，在老师的帮助下动起手来。

实验过程

1.制作材料

该演示仪的器材有：培养皿、导线两根、环形电极（利用薄铝条弯曲而成）、砝码（充当圆柱形电极，建议用惰性电极，如碳棒）、NaCl溶液（建议用NaNO3、Na2SO4等，因钠离子、硝酸根离子和硫酸根离子不会参与电解）、环形强磁铁、学生电源。

2.操作说明

在培养皿中倒入适量NaCl饱和溶液，并将环形电极接在培养皿边缘，将砝码放入环形磁铁中再将它们置于培养皿中央，把铝环接在学生电源的“稳压直流”正极接线柱上、砝码接负极接线柱。可以看到加了一滴红墨水的NaCl饱和溶液旋转了起来，很快就呈现出内低外高的涡旋状液面，最终将保持一定的角速度做匀速圆周运动。

3.现象分析

溶液为什么会旋转呢？从能量的角度看，电能转化成了溶液转动的动能，类似于电动机。从力的角度看，环形强磁铁的N、S极分别位于轴向的两个平面上（当上表面为N极时），铝环接正极、砝码接负极，能产生无数股由培养皿边缘指向中心的电流，取其中一滴溶液分析，根据左手定则，它受到安培力，于是这滴溶液运动起来了，位于环形磁铁与铝环间的任意一滴溶液都受到类似的安培力，因此溶液运动起来了。

溶液旋转的向心力来源于哪呢？对于溶液，它受到的重力与安培力并不能提供向心力，但其他溶液对它的作用力却可以用来提供安培力。在溶液轉动的过程中，安培力在切线方向且与速度方向一致，充当动力。

那么为什么溶液不会越转越快而是最终保持匀速率转动呢？实际上，溶液转动时，溶液间存在粘滞阻力，速率越大粘滞阻力越大，当速率增大到一定值时，粘滞阻力恰好等于安培力，此时，溶液将保持匀速率转动。

改制小结

与实验室中传统的演示仪相比，改制后的演示仪器取材简单，用一个环形强磁铁替代马蹄形磁铁，取消了其固定装置，既大大节省了材料，又让整个实验现象更直观明显。endprint