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・物理实验・“变化的电场产生磁场”的演示实验设计郑曙辉(宁波市第二中学,浙江宁波 315010) 在高中物理(试验修订本・必修加选修)第二册教材第19章“电磁场和电磁波”第三节“电磁场”这节内容中,学生对麦克斯韦电磁理论的两条核心内容:(1)变化的磁场产生电场;(2)变化的电场产生磁场,都能接受,但缺乏感性、直观的认识.而通常教师在教学中也只对“变化的磁场产生电场”这个结论用实验验证.对“变化的电场产生磁场”大多数采用理论分析说明,灌输给学生.教材及教参中也没有演示实验介绍,学生无法看到直观的演示现象,这样,不利于学生能力的培养.笔者分析原因认为:教材及教参对“变化的电场产生磁场”没有实验介绍是因为一般的变化电场产生的磁场比较弱,不足以使磁针发生偏转.也就是说,找不到一个较理想的变化电场来产生较强的磁场.笔者在教学中发现,用感应圈的放电柱与平行板电容器的两极板相连,通过平行板电容器内的电场变化可产生较强的磁场,从而使得处于其中的磁针发生偏转.[做法]用导线将感应圈的两个放电柱分别与平行板电容器的两块极板相连,感应圈接6～8V 的直流电,通过感应圈的通、断电使电容器极板上的电场发生变化,从而产生一个较强的磁场.是否产生新磁场可用小磁针来检验:将一枚小磁针事先放在电容器的两个极板间,在感应圈通、断电的瞬间小磁针由于受到新磁场的作用而偏离了原来的位置.在此实验中,小磁针的偏转可用实物投影把偏转现象放大.实验装置的示意图如图1所示.图1图1中木块起垫高作用,使小磁针与平行板电容器的铜板等高.实验中发现,每当通、断电时,小磁针就会发生较明显的偏转.显然,小磁针受到了除地磁场以外的其它磁场对它的作用力.这个磁场只能是在通、断电时平行板电容器间的变化电场产生的.因此,实验证明变化的电场的确可以产生磁场.此实验的效果相当好,大大地激发了学生的学习积极性.为什么用感应圈给电容器充、放电可以产生较强的磁场?这牵涉到感应圈的结构及工作原理.如图2是感应圈的内部结构示意图.其主要部分是在铁芯上用较粗的绝缘金属线绕成圈数不多的原线圈L 1,在原线圈L 1的外面,套上一个用几千圈绝缘性能良好的细金属线绕成的副线圈L 2,副线圈L 2两端分别接到放电柱上.图2其工作原理如图3所示.当拨动转换开关ZK 至1、2接点位置时,电源接通,电流通过ZK 1,DK 、原线圈L 1、ZK 2返回电源,构成原线圈边回路.这时,铁芯被磁化,吸引断续器DK 簧片,使原线圈L 1断路.原线圈边无电流通过,铁芯失磁,DK 簧片返回,电流再度接通.这样,借助断续器DK 的作用,在原线圈L 1里出现断图3续的电流,引起铁芯磁通量的交替变化.若通、断电时电流变化率较大,可使放电柱间的空气击穿而放电,放电时的电流呈脉动状单向直流.但是,在本实验中,我们不需要放电柱放电,而是把放电柱用导线与平行板电容器的两极板相连,使感应出的几万伏高压降落在电容器极板上,在两极板间产生强电场.然后,通过通、断电使电容器间的电场产生变化.这样,这个变化的电场可产生较强的磁场,使得小磁针偏离了原—42—V ol.24N o.4 物 理 教 师 第24卷第4期 (2003) PHY SICS TE ACHER 2003年 提高“用油膜法估测分子的大小”实验成功率的探讨张丽英 吴新民(云南省建水第一中学,云南建水 654300) “油膜法估测分子大小”是高中物理新大纲增设的学生分组实验.本实验能使学生对分子运动理论的内容增加理解和感受.实验研究的对象是油酸(C17H33 C OOH)在水面上形成的油膜.实验原理是:当把一滴用酒精稀释过的油酸滴在水面上时,油酸就在水面上散开,其中酒精溶于水中,并很快挥发,剩下一层油酸薄膜浮于水面.油酸(C17H33C OOH)中的烃基C17H33———与水没有亲合力要冒出水面,羧基———C OOH因对水有很强的亲合力被水吸引,就留在水里.这样油酸分子一个个直立在水面上形成单分子厚度的油膜.实验只要知道油膜的体积并测出油膜的面积,即可根据计算式d=V/S估算出油酸分子的直径.我校高二年级首开本实验.配用的仪器是杭州之江光学仪器厂生产的油膜实验器(标准代号:Q/ HZG57—2001),水盘是直径为22cm,面积为380cm2的圆盘.用注射器做滴管,其针筒容积为3m L,针头为6号针头.稀释的油酸浓度为1/500.用的粉是市售痱子粉.我校高二年级10个教学班,共有学生600多人,每班约分30个小组,每组2-3人,实验反馈的结果使我们非常震惊.测得油酸分子大小数量级在10-10m-10-8m范围内的学生还不到50%!有的小组一次都没做成功,有的小组一次成功,一次又不成功.有的班级成功率高,有的班级成功率低.一个新开的学生实验做成如此结果,促使我们下决心进行研究和分析.笔者经过多次反复实验,并了解了部分学生的实验情况,发现了一些应注意的问题.鉴于有些问题在有关刊物上已有同行指出过,故下面列出的仅是我们发现的问题中的一部分.1 水盘的选择盘子为深色(最好是黑色)为好(大小可依油酸浓度的配制而定).因为水是无色透明的,而痱子粉是白色的,这样可增大黑白对比度,使油膜面积的测量较为准确.2 水的深度在1～2cm之间为宜,水太浅了痱子粉散不开,而太深时倒进去的水不能很快静止,学生们性急,又赶时间,痱子粉撒上后,由于水的流动使粉末也运动,扩散后油膜形状不稳定、不规则,面积测量误差大,故要提醒学生待水静止后才开始撒粉.3 水的温度这是一个容易忽略的问题.引起我们注意的原因是上午几个班做实验时,先做的几个班较好,越后的班级越差.而我们用的水是自来水管里面的水,水管暴露在外受太阳光的照射.后来我们用不同温度的水反复做实验,证实水温确实会影响成功率.一般来说,水温不能太高(最好低于35℃),水温高了的结果是粉撒下后不稳定,油膜扩散后的形状也不稳定,使面积变得不规则,奇形怪状,难于测量,测出来误差就大.这可能是水温高,水分子运动太激烈的缘故.4 撒粉的方法(1)只须撒在盘的中央.方法是用手拈一点痱子粉,手在盘中央的正上方20cm左右处轻轻地撒下即可,不必到处都撒,粉自己会散开.(2)绝不能撒得太多,不然粉太厚,油膜扩散时推不开,油膜扩散的面积很小,只是形成一个小窟窿,或几条裂缝,导致实验完全失败.5 滴油酸的方法来的位置.由于利用的是将感应的高电压直接降落在电容器的两个极板上,而不让其放电.因此,在实验中应注意平行板电容器的两极板间的距离不能太小(一般为20 cm左右),以避免放电;其次,应注意平行板电容器两块极板与小磁针的位置,避免变化电场产生的新磁场与地磁场的方向一致,而出现小磁针不偏离原来方向的情况,发生无新磁场产生的错觉;另外,在实验中应注意安全,撤掉仪器前应先将电容器放电,以防高压电击.(收稿日期:2002-10-31)—52—第24卷第4期 物 理 教 师 V ol.24N o.4 2003年 PHY SICS TE ACHER (2003)。
