“旋转的液体”实验再改进

张香保,黄 彬,郭利刚

(1.东瓯中学,浙江 温州 325000;2.北京师范大学附属杭州中学,浙江 杭州 310002)

1 教材中“旋转液体”实验的不足

为让学生亲自观察体验通电导线在磁场中所受安培力，文献[1]安排了以“旋转的液体”为主题的实验，实验装置图如图1所示，在玻璃皿中心放置一圆柱电极，沿边缘内壁放圆环形电极，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.

图1 教材中“旋转的液体”实验装置图

该设计主要存在以下问题：

1)玻璃器皿容易破裂，不利于安全操作.

2)电源电池组需6节干电池才观察到液体缓慢的旋转现象，若直接与导电液体中的导线连接容易产生电路短路.

3)导电液体使用NaCl溶液. 溶液的离子浓度较小，溶液导电性并不理想；高离子浓度的NaCl溶液在电离过程中会产生Cl2，不符合环保的要求；NaCl溶液为无色透明液体，即使NaCl溶液发生旋转也不易于实验观察.

4)常见的U形磁铁宽度较小，不利于稳定放置盛装导电液体的器皿，并且其磁感应强度相对较小，不同部位磁感应强度相差很大，对通电导体产生的作用力较小而不足以使得导电液体发生旋转. 使用U形磁铁会使得实验操作空间变窄，视野方位受到一定限制，更不好将其实验现象投影到屏幕.

2 实验改进措施

针对以上问题对实验装置进行了改进，实验所需器材如图2所示.

图2 实验所需器材

1)实验中盛装导电溶液的容器选用直径约为100 mm透明的干果塑料食品瓶替代玻璃器皿，实验器材取材方便且操作安全简便.

2)实验电源选用学生电源替代干电池，将学生电源的挡位调至直流电压挡，这样可以避免因干电池消耗过快而影响实验效果，外接滑动变阻器和开关，这样使电路结构更具完整性和规范性，同时又方便调节导电液体所加电压和电流. 电路实物连接如图3所示.

图3 实验电路实物连接图

4)实验磁场来源选用圆柱平板型的铷铁硼磁铁替代U形磁铁，它不仅能够提供轴向(竖直方向)的磁场，而且有利于平稳放置盛装导电液体的器皿，同时使实验操作空间变大，观察视野变大.

在演示实验时，可以方便利用实物投影仪将器皿中液体旋转的现象投影到屏幕上.

5)圆柱形中心电极宜选用铁质螺栓(长约为150 mm,直径约为10 mm)，置于导电容器底部被磁铁吸引稳定立于容器中央. 实验时，为防止电路电流过大，开始实验时电压不宜过大，随着液体旋转后，可以将电压再逐渐增加.

6)为进一步增加实验的可见度，导电液体不宜过多，同时可以在蓝色的CuSO4溶液表面放置少量颗粒状塑料泡沫.

3 结束语

通过对实验装置和操作的改进，使实验取材更加方便、操作更加规范、现象更加明显，实验更具节能和环保性，符合绿色实验要求. 利用改进后的实验装置，还可以进一步完成探究安培力和洛伦兹力的关系实验,磁场对大量径向移动的离子产生的洛伦兹力的合力——安培力，引起液体作圆周运动. 另外，在电路中串接电流表还可以进行半定量研究或定量研究.