洛伦兹力演示实验

洛伦兹力偏转实验洛伦兹力偏转实验是一种常见的物理实验，用于研究电磁力对带电粒子运动的影响。

洛伦兹力的表达式为F = qvBsinθ，其中F是洛伦兹力，q是电荷量，v是粒子的运动速度，B是磁场的大小，θ是粒子速度与磁场方向之间的夹角。

要进行洛伦兹力偏转实验，首先需要准备一套实验装置。

实验装置主要包括一个磁场源，通常为一对平行的电磁铁或电磁铊，用于产生一个均匀的磁场；一个带电粒子源，用于发射带电粒子；一个探测器，用于测量带电粒子的轨迹和偏转角度。

在实验开始之前，我们需要对实验进行一些准备工作。

首先，需要确定实验所使用的带电粒子的性质和运动参数，例如电荷量和速度。

这可以通过其他实验或理论计算来得到。

其次，需要根据带电粒子的性质选择合适的磁场强度和方向，以及适当的探测器。

实验开始时，首先需要调整磁场源使其产生一个均匀的磁场。

这可以通过测量磁场的分布和磁场的强度来实现。

一种常见的方法是使用霍尔效应探测器，将其放置在不同位置，测量不同位置的磁场强度，并调整磁场源的电流使其均匀分布。

接下来，需要启动带电粒子源，将带电粒子发射到磁场中。

带电粒子可以是正电荷或负电荷，具体取决于实验的需要。

带电粒子的速度可以通过控制其加速装置的参数来调整。

一种常见的加速装置是带有加速电压的电场板。

一旦带电粒子进入磁场，它们将受到洛伦兹力的作用，发生偏转。

探测器的任务是测量带电粒子的轨迹和偏转角度。

探测器可以是一个放置在磁场中的带有敏感探测器的光学装置，例如一个望远镜或一个电子束扫描仪。

通过测量带电粒子的轨迹和偏转角度，我们可以确定洛伦兹力的大小和方向。

洛伦兹力偏转实验具有广泛的应用。

首先，它可以用于研究电磁力的性质和行为。

通过测量洛伦兹力对不同电荷量、速度和磁场强度的响应，我们可以验证洛伦兹力的表达式，并进一步了解电磁力对带电粒子的影响。

此外，洛伦兹力偏转实验在粒子物理学和核物理学中也有重要应用。

例如，在带电粒子加速器中，通过控制磁场强度和粒子速度，可以精确控制粒子的轨迹，从而使粒子以特定的路径运动，进而进行精确的碰撞和测量实验。

第３９卷　第３期２０１９年３月 物　理　实　验　ＰＨＹＳＩＣＳ　ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＴＩＯＮ Ｖｏｌ．３９　Ｎｏ．３ Ｍａｒ．，櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶２０１９　收稿日期：２０１８－１２－２６　作者简介：陈冀轩（１９９７－），男，广东佛山人，佛山科学技术学院物理与光电工程学院２０１５级本科生．　通讯作者：成建群（１９７６－），男，湖南祁阳人，佛山科学技术学院物理与光电工程学院助理研究员，博士，主要从事物理教学方面的研究工作．文章编号：１００５－４６４２（２０１９）０３－００６１－０３洛仑兹力实验教学演示仪的改进陈冀轩，成建群，林立燕（佛山科学技术学院物理与光电工程学院，广东佛山５２８０００） 摘　要：对传统的“旋转的液体”实验进行改进，研制出洛仑兹力实验教学演示仪，通过变压器将２２０Ｖ交流电转化为直流电，使通电线圈产生竖直方向的磁场，同时电解槽电解产生ＯＨ－，在电场作用下定向移动时，由于受到洛仑兹力的作用而发生旋转，并使用酚酞作为指示剂，将无色的微观实验现象转换为宏观的红色可视化现象，极大地增加了学生学习的兴趣．关键词：洛仑兹力；旋转液体；磁场；电场中图分类号：Ｇ６３３．７ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１９６５５／ｊ．ｃｎｋｉ．１００５－４６４２．２０１９．０３．０１４ 洛伦兹力是高中物理的重要内容，常常也是学生的学习难点，若在教学时能进行洛仑兹力的演示，会利于学生理解．但现在市售的常规洛仑兹力演示仪价格普遍比较高．目前所使用的洛仑兹力演示仪［１－４］只能验证洛仑兹力的存在，而无法定性地探究洛仑兹力ｆ与带电粒子运动速度ｖ、磁感应强度Ｂ三者之间的关系，影响了课堂教学效果．为了将微观现象宏观化，使用了类似“旋转木马的装置”［５］，但该装置制作复杂，不适合课堂教学．针对上述实验装置的缺陷，在原有的洛仑兹力演示仪［６］的基础上进行了改进，不仅降低了实验设备的成本，而且还可以直观地看到粒子在受到洛仑兹力之后的运动变化过程，从而可以定性地探究洛仑兹力与其他物理量的关系．１　实验仪器介绍１．１　实验原理带电粒子在磁场中做定向移动，且运动方向与磁场方向垂直，就会受到洛仑兹力的作用，并且洛仑兹力的大小满足ｆ＝ｑｖＢ．（１）１）自制的洛伦兹力实验教学演示仪如图１所示，实验前，先配置好一定浓度的Ｎａ２ＳＯ４溶液，然后倒入仪器当中，并滴入少量的无色酚酞溶液．图１　自制洛伦兹力实验教学演示仪图２）仪器中的圆形容器为电解槽，中心的铜柱为电解槽阴极，容器的四周用铜片绕制形成阳极，启动电解槽开关后，电解产生大量的ＯＨ－，这时ＯＨ－在电场力的作用下，开始向阳极做定向运动，溶液中的酚酞遇到ＯＨ－会变红，且慢慢地向外扩散．３）在容器周围绕制多层线圈，当启动线圈开关时，线圈通入直流电，产生竖直方向垂直于粒子运动方向的磁场Ｂ，使得粒子（ＯＨ－）受到洛仑兹力的作用而发生旋转，速度方向与粒子定向移动方向相反，所以可以看到红色溶液部分旋转起来．４）通过改变电流的方向可以改变磁场的方向，可以验证洛仑兹力的方向符合左手定则；同时可以通过改变可控变压器的旋钮，改变通入线圈和电解槽的电流大小，达到定性探究洛仑兹力影响因素的目的．５）装置可以使用投影仪将实验现象投影到屏幕上，让实验现象更加直观．１．２　仪器的制作方法１）外壳的制作．外壳使用定制透明的亚克力板，包括外包围的亚克力外壳和中心的圆柱形亚克力电解槽．２）电解槽与电解电路的制作．电解槽电路如图２所示．在圆柱形的电解槽中心钻孔，将金属长螺钉从底部插入，插到底后上紧螺母，然后用热熔胶将缝隙全部封紧，作为阴极，再用铜板绕圆环，贴紧电解槽内壁，作为阳极．图２　电解槽电路图若产生明显的实验现象，电解槽两端应当施加至少３０Ｖ的直流电压，实验使用了２２０ＶＡＣ转３６ＶＤＣ的直流变压器对２２０Ｖ电压进行降压和整流，再输入到电解槽．其中，正极接电解槽的阳极，也就是圆环，阴极接螺钉，作为阴极．现在大部分２２０Ｖ交流转直流的变压器内部都有调压旋钮，因此可不用额外购买直流调压器，从而简化了仪器的内部结构，降低了设备成本．３）线圈与线圈电路的制作．线圈电路图如图３所示，线圈使用０．３ｍｍ的漆包线制作，在电解槽周围密绕３　０００～４　０００匝即可．而线圈通入的电流需要使用２２０ＶＡＣ转１１０ＶＤＣ的变压器．此处用于监控电流的电流表需要使用毫安表，因为线圈的阻抗较大．如果想让实验现象更加明显，可以直接接入市电，然后使用全桥整流之后直接输入线圈．图３　线圈电路图４）磁场换向与电流换向电路．完整的换向电路图如图４所示，使用２个双刀双掷开关即可完成换向，这里使用了ＴＹＰＥ　１３２２摆臂开关换向．图４　磁场与电流换向电路图２　实验步骤以及注意事项１）把事先调配好的Ｎａ２ＳＯ４溶液倒入电解槽中，用温水调配溶液，能让溶液快速达到饱和并产生更多的离子．特别需要注意的是，不能使用ＮａＣｌ溶液进行实验，否则会产生有毒的氯气；其次需要控制电流在安全范围之内，溶液的浓度越高，越容易烧坏导线．２）滴入酚酞后，启动电解槽，可以看到溶液从中心螺钉处慢慢开始变红，然后向外扩散（如图５所示），这是因为Ｎａ２ＳＯ４溶液在电解时产生大量的ＯＨ－，让溶液变红；紧接着ＯＨ－在电场的作用下开始朝着阳极运动，因此可以看到红色部分慢慢向外扩散．图５　红色区域不断向外扩散图３）启动磁场开关，可以观察到溶液从向外扩散时并伴随绕中心旋转，这是因为在施加竖直磁场之后，定向移动的ＯＨ－受到洛仑兹力的作用，而发生旋转，因此与上一步形成对比，证明洛仑兹力的存在．４）增大电解槽的电压，保持线圈电压不变，可以观察到，溶液旋转的速度更快了，而电压越大，粒子运动的速度就越快，因此可以证明粒子运动２６ 物　理　实　验第３９卷的速度和洛仑兹力的大小有关．粒子的运动速度越快，粒子受到的洛仑兹力就越大．５）让学生观察溶液的旋转方向，根据洛仑兹力和安培力的关系（洛仑兹力为安培力的实质），提出“洛仑兹力的方向同样符合左手定则”的猜想，并尝试用左手定则判断洛仑兹力的方向，从而判断溶液的旋转方向；然后更换溶液，再次实验，观察实验现象，验证猜想是否正确，最终证明，洛仑兹力的方向和安培力符合左手定则．６）增大线圈中通入的电流，保持电解槽的电压不变，可以观察到溶液旋转速度增大，意味着洛仑兹力的大小也随之增大．因此可以证明，磁场大小同样也会会影响洛仑兹力的大小．３　结束语改进的洛伦兹力实验教学演示仪价格低廉，使用简单，制作难度小，展示方便；还可以通过投影仪进行投影，教学效果较好．同时，它能将抽象的物理概念转化为生动的物理实验现象，将抽象的洛仑兹力转化为容易容易观察到的实验现象，让学生获得足够的感性认识；并且它还可以定性地探究与洛仑兹力的大小有关的因素，方式更加灵活，通过实验现象引导学生进行积极思考，很容易得出物理规律．该实验将物理知识与化学知识交叉融合，更能引起学生的学习兴趣．参考文献：［１］　周亮．洛伦兹力宏观演示仪的制作［Ｊ］．中学物理，２０１１，２９（５）：２５－２６．［２］　刘庭华．洛伦兹力宏观演示仪的制作可以更简单［Ｊ］．中学物理，２０１２，３０（１）：３５．［３］　吴一．利用电解法演示洛仑兹力［Ｊ］．实验教学与仪器，１９９７（１）：２５．［４］　李艳．对洛伦兹力演示仪的改进［Ｊ］．中学物理，２０１８，３６（５）：４６．［５］　肖凯龙，庄浩丽．洛伦兹力可视化演示仪［Ｊ］．物理实验，２０１７，３７（１０）：６０－６１．［６］　何欣灿．自制“洛伦兹力演示仪”［Ｊ］．实验教学与仪器，２０１５，３２（９）：５２－５３．Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｌｏｒｅｎｔｚ　ｆｏｒｃｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｅａｃｈｉｎｇＣＨＥＮ　Ｊｉ－ｘｕａｎ，ＣＨＥＮＧ　Ｊｉａｎ－ｑｕｎ，ＬＩＮ　Ｌｉ－ｙａｎ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｏｓｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｏｓｈａｎ　５２８０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｌｏｒｅｎｔｚ　ｆｏｒｃｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｑｕａｌｉｔａ－ｔｉｖｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｕｓｉｎｇ　ｓｉｍｐｌｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄｅｖｉｃｅ，２２０ＶＡＣ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｗａｓ　ｃｏｎ－ｖｅｒｔｅｄ　ｉｎｔｏ　ＤＣ　ｃｕｒｒｅｎｔ，ｓｏ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄ　ｃｏｉｌ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ａ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ　ｃｅｌｌ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｈｙｄｒｏｘｙ　ｒａｄｉｃａｌ　ｗｈｉｃｈ　ｒｏｔａｔｅｄ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｌｏｒｅｎｔｚ　ｆｏｒｃｅ　ｗｈｅｎ　ｉｔｍｏｖｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ　ｃｏｌｏｒｌｅｓｓ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｗａｓｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ　ｉｎｔｏ　ａ　ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ　ｒｅｄ　ｖｉｓｉｂｌｅ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｐｈｅｎｏｌｐｈｔｈａｌｅｉｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒ．Ｉｔｇｒｅａｔｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｌｅａｒｎｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｌｏｒｅｎｔｚ　ｆｏｒｃｅ；ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｌｉｑｕｉｄ；ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ［责任编辑：尹冬梅］３６第３期 陈冀轩，等：洛仑兹力实验教学演示仪的改进。

洛伦兹力的研究与实验探究洛伦兹力是电荷在磁场中运动时所受的力，是电磁感应现象的基础之一。

通过对洛伦兹力的研究与实验探究，我们可以深入理解其产生机制，揭示电磁场与电荷之间的相互作用规律，为电磁学的发展做出重要贡献。

一、洛伦兹力的定义和基本原理洛伦兹力是指当带电粒子在磁场中运动时受到的力，它的方向垂直于粒子的运动方向和磁场的方向，并且大小与粒子的电荷量、速度以及磁场的强度有关。

洛伦兹力的表达式为：F = q(v × B)其中，F表示洛伦兹力的大小和方向，q表示粒子的电荷量，v表示粒子的速度向量，B表示磁感应强度向量。

根据右手规则可以确定洛伦兹力的方向。

二、洛伦兹力的研究历程洛伦兹力最早是由荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹在19世纪末提出的，他基于麦克斯韦方程组和牛顿第二定律，利用向量分析的方法推导出了洛伦兹力的表达式。

洛伦兹力的研究对于宏观物理学和微观粒子物理学的发展都具有重要意义。

在实验研究方面，科学家们通过一系列的实验来验证洛伦兹力的存在和作用规律。

例如，他们利用导线在磁场中的受力来研究洛伦兹力对电流的影响，通过改变电流方向和磁场强度等条件来观察洛伦兹力的变化。

同时，科学家们也通过将电荷粒子射入磁场中进行轨迹观测，验证了洛伦兹力的垂直性和大小与速度的关系。

三、洛伦兹力的应用洛伦兹力在现实生活和科学研究中有着广泛的应用。

以下列举几个具体的应用领域：1. 电磁感应：洛伦兹力是电磁感应现象的基础，电动机、发电机等设备的工作原理都基于洛伦兹力的作用。

2. 粒子物理学：粒子加速器利用洛伦兹力加速电荷粒子，从而达到研究微观结构和粒子性质的目的。

3. 磁共振成像：洛伦兹力在磁共振成像技术中起到重要作用，利用洛伦兹力的效应可以观察和研究人体内部的结构和器官功能。

4. 磁悬浮交通：洛伦兹力可以实现磁悬浮技术，使列车在轨道上悬浮并高速运行，具有较低的阻力和噪音，提高了交通效率。

四、洛伦兹力的未来发展方向随着科学技术的不断进步，对洛伦兹力的研究也在不断深入。