洛伦兹力试验仪的设计制作
第33届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果竞赛项目
洛伦兹力演示仪的设计制作
【关键词】：通电线圈磁场电解液定向移动洛伦兹力右手定则左手定则液体旋转
摘要
在线圈中有电流通过的时候，线圈周围和线圈内部就会产生磁场，而透明有机玻璃浅盘中的电解液正好处在通电线圈内部的磁场中，磁场方向始与电解液中带电粒子定向移动的方向垂直，受到洛伦兹力的作用发生偏转，使电解液旋转，偏转方向由加在线圈中的电流方向和加在电解液上的电流方向决定。
能否旋转、旋转的快慢由加在线圈两段的电压和加在电解液两端的电压决定，电压越大，旋转越快。
设计背景
关于磁场的知识，在现行高中课程标准3—1中磁场一章，是高中物理的重点，也是难点，在高考中，电磁部分占有相当大的比例。
为了激发学生学习物理知识的积极性，提高学习兴趣，必须加强有关磁场的演示实和学生实验。
目前，有关洛伦兹力的演示实验，大部分学校都采用的是传统的演示方式：感应圈产生的高压电加在阴极射线管两端，使阴极射线管放电，然后教师拿着条形磁铁或蹄形磁铁在阴极射线管周围移动，使阴极射线改变方向的试验方法。
这种演示方法的弊端是感应圈笨重、实验安全性差。
为此，本人设计了使处在磁场中的电解液定向移动受磁场力，使电解液旋转的方法，操作简单、携带轻便、实验现象明显，可以演示电流磁场方向——右手定则；带电粒子受力方向——左手定则、以及洛伦兹力的大小与磁场强弱、带电粒子运动速度之间的关系等。
项目创新点
1、用电流的磁场替代了磁铁的磁场，在电解液所在区域当中磁场方向基本保持一致、磁场强弱基本保持一致，带电粒子的受力方向更容易判定。
2、由于使用最高电压24v，可连续变化的电源适配器，磁场强弱、带电粒子运动速度调节方便、安全可靠，实验中不再小心翼翼、胆战心惊。
减轻了重量，整个装置、两个电源适配器、以及电解液，质量不足2kg，携带方便，
3、电路连接设计中采用了香蕉头固定式插头和双位红黑连体接线柱的配套使用，电路连接、电流方向调整快捷方便，可以节省演示时间。
4、可以演示带电粒子受到的磁场力的方向与磁场方向、粒子运动方向之间的关系，洛伦兹力大小与磁场强弱、带电粒子速度大小的关系，演示效果明显。
工作原理
1、在线圈中有电流通过的时候，线圈周围和线圈内部就会产生磁场，而透明有机玻璃浅盘中的电解液正好处在通电线圈内部的磁场中，磁场方向要嘛向上，要嘛向下，只有这两种情况，磁场方向取决于电流方向和线圈的绕向，磁场强弱取决于电流强弱和线圈的匝数。
线圈内部的磁场强弱与匝数N成正比、与线圈中的电流强度I成正比，与线圈面积成S正比，既：B∝N I/S,而I=u/R，R=ρL/S1 (其中，ρ表示电阻的电阻率，是由其本身性质决定，L表示电阻的长度，S表示电阻的横截面积），又由于N 与导线长度成正比，由此推论得：
B∝U S1/ρS
在线圈绕制完成定型的情况下，电阻率、导线截面积、线圈面积一定情况下，线圈内部的磁场强弱与所加的电压成正比。
虽然与导线长度无关，由于电源的最大输出电流是有限的，还得考虑导线的长度。
本实验中电源最大电压24v，最大
电流 2.5A，绕线直径0.3mm，可推算出线圈缠绕不少于40圈，如绕线直径0.6mm，可推算出线圈缠绕不少于150圈。
2、带电粒子受到的洛伦兹力的大小f=qvB
q、v分别是点电荷的电量和速度;B是点电荷所在处的磁感应强度。
q一定，f由B和V决定，B和V由加在线圈上的电压和电解液上的电压决定，要让电解液在演示仪中旋转起来，且旋转的块，就尽量加大加在线圈两端的和加在电解液两段的电压，所以本实验仪演示成功的关键是要让电解液旋转起来。
设计制作
一、所需器材、仪器
1、有机玻璃板：250*250*5一片，正中间挖空直径22cm 直径22cm厚度
5mm圆板一片外径22cm，高度5cm圆筒一个
2、2、拨动开关2个
3、红黑接线柱2对
4、红黑免焊接香蕉插头个2对
5、直径0.31mm或0.6mm漆包铜线分别为12米和30米（绕制两个线圈）
6、24v电压可调直流电源适配器2个
7、亚力克粘贴专用胶水、胶枪胶棒
8、焊枪、焊锡、手电钻、各类钻头
9、电源接头母头2个、导线
二、设计制作
1、在中空亚力克有机玻璃板边缘适当的位置，用手电钻钻两个直径12mm
的孔，用来安装两个妞子开关。
在适当的位置根据红黑接线柱间距分别钻4个5mm的孔，用来安装两对接线柱。
2、将有机玻璃圆筒用强力亚力克专用胶水粘贴在有机玻璃圆板上，成为一个5cm深的水槽，在水槽的顶部用有机玻璃胶水粘贴上中空有机玻璃板。
制作流程设计图
3、密封性检查，在做好的水槽中倒满水，看看底部和上边有无漏水，在漏水的地方做好记号，然后把水倒掉，用热熔胶枪进行密封，直到不再漏水。
4、在离水槽底部5mm的地方开始缠绕50圈0.31mm的漆包铜线，绕线宽度2cm，绕线的起始和终了位置用玻璃胶粘贴固定，并处留足线头，以备利于接线，绕线完成以后，标记绕线方向。
制作流程设计图
5、在上图中的六个空中从左到右依次安装妞子开关、红、黑接线柱、妞子开关、红、黑接线柱。
6、电路连接：在2对红、黑免焊接香蕉插头上分别接上电源接线头母头，分别插接到红黑接线柱上，线圈的一个绕线头接到红色接线柱上，另一绕线头接到妞子开关上，开关的另一个接线头接到黑接线柱上。
右侧红色接线柱接到第二个接线柱上，接线柱的另一个接线头接直径2mm的铜导线，将铜导线从水槽边缘处折弯，插到水槽底部，黑接线柱也接直径2mm的铜导线，从水槽中心插到底部。
试验仪实物照片抠图
实验演示方法步骤
配置硫酸铜溶液，倒入到演示仪水槽中，其深度达到2cm 左右。
将两个开关置于断开状态，两个24v电源适配器的公头插接在演示仪的两个木头上，插头插到220V交流插孔中，接通两个开关，调节电源适配器的输出电压，就可观
察电解液旋转方向和旋转快慢。
1、洛伦兹力方向与磁场方向、带电粒子运动方向之间的关系演示：
磁场强度不变，带电粒子运动速度不变，电解液中电流方向不变，改变插接在红黑接线柱上的香蕉插头，就可改变磁场方向，从而改变电解液旋转方向。
线圈中磁场方向不变，改变连接电解液上插接在红黑接线柱上的香蕉插头，就可改变电解液中电流方向，从而改变洛伦兹力的方向，使电解液旋转方向改变。
实验前也可以先用右手定则和左手定则先判断，后实验验证的方法。
2、洛伦兹力的大小和磁场强弱、带电粒子运动速度的关系演示：
磁场方向、粒子运动方向不变，磁场强度不变，用改变加在电解液上的电压来改变带电粒子在磁场中的运动速度，电压减小，粒子受到的洛伦兹力减小，电解液旋转变慢；电压增大，粒子受到的洛伦兹力增大，电解液旋转变块。
磁场方向、粒子运动方向不变，粒子运动速度不变，用改变加在线圈的电压来改变磁场强弱，电压减小，粒子受到的洛伦兹力减小，电解液旋转变慢；电压增大，粒子受到的洛伦兹力增大，电解液旋转变块。
实验仪需要改进的方面
1、进一步增大线圈中的最大输出电压，增大线圈中的电流强度，线圈电阻进一步减小。
2、增大线圈绕线直径，增加绕线匝数，更加有利于实验中加在线圈两端的电压调节范围。
3、使设计更加精细化，通过精确计算电源的最大输出电压、最大输出电流，通过计算线圈电阻、以及漆包线的直径，计算绕线长度和绕线匝数。
以进一步提高实验效果和实验成功率。
4、在现有材料、技术水平、工艺等条件下，进一步优化设计方案，做到更加实用、美观。