张润生 杨诗淇 庄苏维 李德安

（华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510006）

笔者对传统的“旋转的液体”实验进行改进，设计并制作了可用于演示、探究安培力和洛伦兹力方向的创新教具.该装置具有实验材料廉价易得、无有毒气体和沉淀产生、演示效果明显等优势，能够有效激发学生学习物理的兴趣.

1 传统实验

如图1所示，装有饱和食盐水的圆形容器放置在蹄形磁铁中，容器中心金属接电源负极，内壁环附的金属接电源正极，接通电源，两电极间导电溶液（自由电荷）在磁场作用下发生旋转.该实验形式新颖、现象有趣，被广泛应用于演示及探究安培力、洛伦兹力方向的实际教学中.

图1 “旋转的液体”传统实验

然而，传统“旋转的液体”实验以及相应的改进实验仍然存在以下缺陷，影响教学效果，且具有一定的安全隐患.

（1）容易产生有毒Cl2及沉淀.

传统实验常用金属Fe、Cu、Al作为电极，用NaCl或者CuSO4溶液作为电解质，通电后电极发生氧化还原反应，容易产生有毒Cl2或沉淀.Cl2如果被吸入体内会导致中毒，而溶液浑浊则会影响装置使用的“寿命”，不利于反复利用.

（2）实验现象不够明显、直观.

一方面，市面上通用的蹄形磁铁考虑用户的使用安全，磁性较弱，用其进行实验效果不佳；另一方面，NaCl溶液无色透明、实验观察视线受限进一步增加了观察难度，教师的演示实验往往不能面向全体学生，实验现象不够直观.

2 实验改进及装置制作

使用惰性材料石墨作为电极防止两极发生氧化还原反应形成沉淀，改用K2SO4溶液作为电解质避免电解过程生成有毒气体.为让实验现象更加明显、直观，实验中将蹄形磁铁替换为磁性更强的钕铁硼强磁铁，在K2SO4溶液中加入少许酚酞进行染色，投入少量彩色泡沫粒使实验现象更明显，并利用手机拍摄图像进行实时投屏.实验装置如图2所示，具体制作如下.

图2 实验装置剖面图

（1）用5块木板围成长方形底座，在顶面中央打孔，侧面一面镂空.

（2）将直径为15 cm的塑料培养皿放置在长方形底座上方，将培养皿及底座放置在木制转动盘上实现装置的整体转动.

（3）削取适当长度的铅笔芯（石墨），将其贯穿培养皿底部中心并用热熔胶固定，作为中心电极.剪取适当长宽的石墨纸环置于培养皿内壁，作为四周电极.

（4）向培养皿中倒入适量K2SO4溶液，并加入少量酚酞指示剂和彩色泡沫粒.

（5）将6节1.5 V的1号电池放置在长方形底座内，电源正负极通过导线与培养皿中心电极和四周电极、开关及滑动变阻器（50Ω，1.5 A）串联.

（6）利用泡沫板包装4块长6 cm、宽4 cm、厚1 cm的钕铁硼强磁铁（避免被强磁铁夹伤），并分别用红色、蓝色胶带包装其N、S级部分，利用亚克力分层架将包装后的磁铁放置在长方形底座内部中央.

（7）在底座上放置手机支架，利用手机支架固定手机，调整角度实现对整个培养皿的实时影像拍摄.

3 教学演示及实验拓展

（1）演示前，按上述要求放置和连接实验装置，断开底座内部开关.

（2）打开手机摄像头，提前与投影设备（电脑）进行连接实现实时投屏.

（3）教师演示时，闭合开关（接通电源），学生们观察投影屏幕.可以明显发现，培养皿中的溶液及其附着的彩色泡沫粒发生旋转.在旋转的过程中溶液颜色由无色透明逐渐变为紫红色，实验现象如图3所示.

图3 实验现象俯视图

（4）改变培养皿中心电极和四周电极与电源正负极的接法，可改变溶液中电流径向流动方向（正负离子径向运动方向）.对调强磁铁磁极可以改变磁感应强度方向.可以发现，改变电流方向或磁感应强度方向，泡沫粒随液体的旋转方向均发生改变.

（5）利用电子秒表计时器记录粒子转速，调整放入的钕铁硼强磁铁数量改变磁感应强度大小或利用滑动变阻器改变电流大小，明显发现泡沫粒子（液体）转速随之发生改变.若将磁铁从底座内取出，可观察到粒子（液体）转速变慢，最终停止.

4 总结

改进后的实验装置实现了实验的创新设计及拓展.该装置不仅可以作为安培力或洛伦兹力新授课的导入实验，也可以在教学过程中组织学生进一步通过分组实验探究并验证“安培力及洛伦兹力方向遵循的左手定则”，还可以作为研究性学习课题实现从课内到课外知识和能力的拓展.