“可視化實(shí)驗(yàn)”在高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用
——利用硫酸銅溶液演示磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力

呂 磊 張 引 李進(jìn)輝

廣東省珠海市實(shí)驗(yàn)中學(xué)(519090)

洛倫茲力是電磁學(xué)的重要內(nèi)容,也是高考考查的重點(diǎn)和難點(diǎn)。帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)受到洛倫茲力的作用,比較抽象、難理解、不容易掌握,學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)只是簡單機(jī)械地記憶物理規(guī)律(畫圖和套公式等),不能很好的理解和把握規(guī)律得出的過程。筆者嘗試自制教具將帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn),收到了較好的效果。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)利用硫酸銅溶液演示磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力——洛倫茲力。

(2)通過“可視化實(shí)驗(yàn)”讓學(xué)生真實(shí)感受到洛倫茲力的存在。

(3)培養(yǎng)學(xué)生通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、歸納總結(jié)、探索規(guī)律的能力。

2 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)硫酸銅溶液中通入學(xué)生直流電后,可使溶液中的自由離子產(chǎn)生定向移動(dòng),在磁場的影響下受到洛倫茲力,從而帶動(dòng)溶液旋轉(zhuǎn),做勻速圓周運(yùn)動(dòng)[1]。

3 實(shí)驗(yàn)器材

培養(yǎng)皿、硫酸銅溶液、導(dǎo)線、學(xué)生直流電源、油性彩色顏料(不溶于硫酸銅溶液)、強(qiáng)磁鐵等。實(shí)驗(yàn)裝置圖見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將干凈的培養(yǎng)皿放在實(shí)驗(yàn)臺上,選取2條銅導(dǎo)線,其中1條做成螺旋狀,并放在培養(yǎng)皿中心處,另一條緊靠在培養(yǎng)皿的邊緣處。

(2)再將2條銅導(dǎo)線另外一端分別接到學(xué)生電源的直流電壓接線柱上。

(3)將適量的硫酸銅溶液注入培養(yǎng)皿中。

(4)先接通電源,觀察硫酸銅溶液的變化情況,關(guān)閉電源。

(5)然后在培養(yǎng)皿下方放置強(qiáng)磁鐵,再次接通電源,觀察硫酸銅溶液變化情況,關(guān)閉電源。

(6)將3種彩色顏料輕輕地滴在硫酸銅溶液表面,如圖2所示;再次接通電源,觀察溶液表面油性彩色顏料的運(yùn)動(dòng)情況, 如圖3所示。

圖2 滴入3種油性彩色顏料

圖3 3種顏料形成旋渦狀圖形

(7)關(guān)閉電源,整理器材,實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

圖3是通入學(xué)生直流電后,硫酸銅溶液在洛倫茲力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng),并帶動(dòng)其表面上紅、黃、黑3種彩色顏料一起轉(zhuǎn)動(dòng),形成3種顏色漩渦狀的彩帶,最終混合在一起。

結(jié)論:通過本實(shí)驗(yàn),很直觀地看到了帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力的作用做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。

6 注意事項(xiàng)

(1)硫酸銅溶液倒入培養(yǎng)皿中,一定要完全浸沒過螺旋狀銅導(dǎo)線。

(2)一定要接學(xué)生電源直流電壓檔,電壓應(yīng)控制在4～8 V。

(3)強(qiáng)磁鐵要放置在培養(yǎng)皿的正中央下方。

(4)將彩色顏料滴入溶液時(shí),要保證3種彩色顏料界限分明。

7 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與反思

(1)本實(shí)驗(yàn)利用油性彩色顏料不溶于硫酸銅溶液的特性,將硫酸銅溶液在磁場中受到洛倫茲力作用做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡清晰地展示出來,既形象又生動(dòng)[2]。

(2)教材中是用洛倫茲力演示儀器進(jìn)行演示,實(shí)驗(yàn)器材比較昂貴而且不太方便操作,而改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)器材成本低、取材方便,并且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較明顯。

(3)本實(shí)驗(yàn)不僅可以用于新授課的導(dǎo)入實(shí)驗(yàn),還可以在教學(xué)中組織學(xué)生進(jìn)一步探究洛倫茲力方向遵循的左手定則[3]。

8 結(jié)束語

教師帶領(lǐng)學(xué)生通過自己動(dòng)手以及同學(xué)間的協(xié)作,共同完成這個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)了學(xué)生合作、交流、互助的精神。通過“可視化實(shí)驗(yàn)”讓學(xué)生認(rèn)識到洛倫茲力的存在,進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生熱愛生活、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,激發(fā)學(xué)生探索與創(chuàng)新的意識,很好地落實(shí)了對學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的滲透與培養(yǎng)[4]。