改制安培力實(shí)驗(yàn)演示儀

陳子戎

問題的提出

物理課上，老師帶領(lǐng)我們?nèi)?shí)驗(yàn)室驗(yàn)證安培力的存在及其方向。根據(jù)教材中相關(guān)提示，我在老師的指導(dǎo)下用到了以下實(shí)驗(yàn)器材：一塊馬蹄形磁鐵，鐵架臺，輕質(zhì)導(dǎo)線，學(xué)生電源。

實(shí)驗(yàn)步驟是這樣的：分別給導(dǎo)線的兩端接上電源的正極和負(fù)極，然后接通開關(guān)，便可看到導(dǎo)線向外移動。在具體操作中，我發(fā)現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)對精準(zhǔn)度的要求較高，而且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不是很明顯，特別是實(shí)驗(yàn)器材——馬蹄形磁鐵在生活中并不常見，同時(shí)還需要解決磁鐵固定等問題，并不適合我們學(xué)生在日常生活中進(jìn)行探究和學(xué)習(xí)。

課后，我便一直在思考有沒有更簡便可行的實(shí)驗(yàn)方案。馬蹄形磁鐵不易尋找，但只要有相同功效的其他磁鐵都應(yīng)該可以替代。其他一些器材是不是也可以找到更好的物品替代呢？我想起家中有個(gè)年久失修、廢棄不用的舊音響，里面有塊環(huán)形磁鐵。帶著迫切而期待的心情，我卸下家中音響中的磁鐵，第二天就帶到學(xué)校，在老師的幫助下動起手來。

實(shí)驗(yàn)過程

1.制作材料

該演示儀的器材有：培養(yǎng)皿、導(dǎo)線兩根、環(huán)形電極（利用薄鋁條彎曲而成）、砝碼（充當(dāng)圓柱形電極，建議用惰性電極，如碳棒）、NaCl溶液（建議用NaNO3、Na2SO4等，因鈉離子、硝酸根離子和硫酸根離子不會參與電解）、環(huán)形強(qiáng)磁鐵、學(xué)生電源。

2.操作說明

在培養(yǎng)皿中倒入適量NaCl飽和溶液，并將環(huán)形電極接在培養(yǎng)皿邊緣，將砝碼放入環(huán)形磁鐵中再將它們置于培養(yǎng)皿中央，把鋁環(huán)接在學(xué)生電源的“穩(wěn)壓直流”正極接線柱上、砝碼接負(fù)極接線柱?？梢钥吹郊恿艘坏渭t墨水的NaCl飽和溶液旋轉(zhuǎn)了起來，很快就呈現(xiàn)出內(nèi)低外高的渦旋狀液面，最終將保持一定的角速度做勻速圓周運(yùn)動。

3.現(xiàn)象分析

溶液為什么會旋轉(zhuǎn)呢？從能量的角度看，電能轉(zhuǎn)化成了溶液轉(zhuǎn)動的動能，類似于電動機(jī)。從力的角度看，環(huán)形強(qiáng)磁鐵的N、S極分別位于軸向的兩個(gè)平面上（當(dāng)上表面為N極時(shí)），鋁環(huán)接正極、砝碼接負(fù)極，能產(chǎn)生無數(shù)股由培養(yǎng)皿邊緣指向中心的電流，取其中一滴溶液分析，根據(jù)左手定則，它受到安培力，于是這滴溶液運(yùn)動起來了，位于環(huán)形磁鐵與鋁環(huán)間的任意一滴溶液都受到類似的安培力，因此溶液運(yùn)動起來了。

溶液旋轉(zhuǎn)的向心力來源于哪呢？對于溶液，它受到的重力與安培力并不能提供向心力，但其他溶液對它的作用力卻可以用來提供安培力。在溶液轉(zhuǎn)動的過程中，安培力在切線方向且與速度方向一致，充當(dāng)動力。

那么為什么溶液不會越轉(zhuǎn)越快而是最終保持勻速率轉(zhuǎn)動呢？實(shí)際上，溶液轉(zhuǎn)動時(shí)，溶液間存在粘滯阻力，速率越大粘滯阻力越大，當(dāng)速率增大到一定值時(shí)，粘滯阻力恰好等于安培力，此時(shí)，溶液將保持勻速率轉(zhuǎn)動。

改制小結(jié)

與實(shí)驗(yàn)室中傳統(tǒng)的演示儀相比，改制后的演示儀器取材簡單，用一個(gè)環(huán)形強(qiáng)磁鐵替代馬蹄形磁鐵，取消了其固定裝置，既大大節(jié)省了材料，又讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀明顯。endprint