总第322
期
2019年9月
教具设计与制作
旋转摆球式洛伦兹力演示仪*
王 磊 陈建文
摘 要：洛伦兹力的学习是高中物理教学的一个重点和难点，洛伦兹力的实验主要以阴极射线在磁场中偏转的形式为主，设备较昂贵，实验较危险。
研究将范德瓦尔斯起电机原理、洛伦兹力和圆锥摆理论结合起来，制作一种新型的洛伦兹力实验教学仪器，并对该仪器的应用进行探讨。
关键词：洛伦兹力；范氏起电；圆锥摆；实验
作者简介：王磊，硕士，一级教师。
辽宁省盘锦市高级中学，124000陈建文，硕士，一级教师。
辽宁省辽东湾实验高级中学，124000
基金项目：盘锦市教育科学“十三五”规划2018年度立项课题《中学物理科学史与新型实验研究》(编号：PJKG135-2018-001)。
一、洛伦兹力研究的发展背景
自从库仑提出电和磁有本质上的区别以后，安培和毕奥等很多物理学家也都认为电和磁不会有任何关系。
但深受康德哲学思想影响的丹麦物理学家奥斯特始终相信电、磁、光、热等物理现象存在内在联系，尤其是在富兰克林发现莱顿瓶放电能使钢针磁化的现象后，更坚定了他的观点。
经过长期的大量实验探索，终于在1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，开启了电磁学研究的新纪元[1]。
此后，以法、德两国物理学家为代表的“源派”物理学家对电磁学做出了许多重大贡献，例如，库仑建立了库仑定律，安培提出磁现象的本质是电流，建立了两电流元作用力的安培定律，1845年韦伯明确提出带电粒子是既有质量又带电的粒子的概念，认为电就是带电粒子，电流就是带电粒子的运动[2]。
以英国物理学家法拉第、麦克斯韦为代表的“场论派”持近距作用观点，认为电磁作用的媒介物—电磁场是客观存在的特殊形态的物质。
洛伦兹集场、源两派理论之长，把气体分子动理论的成果引入电磁学，将经典电磁理论推向了高峰。
洛伦兹继承了“场论派”近距作用的场观点和源派电的带电粒子的观点并予以结合，洛伦兹认为，一切电作用力归根到底是电场对带电粒子的作用力，表示为
F E (F E =qE )，一切磁作用力归根到底是磁场对运动带电粒子的作用力，所以安培关于两电流元作用力的公式应理
解为一电流元受另一电流元产生的磁场的作用力，因电流是带电粒子的运动，故安培力的本质是磁场对运动带电粒子的作用力，以qv 取代安培力公式F =BIL 中的IL 即可得出F =qvB 。
这是洛伦兹在1982年电子尚未发现、且并无任何实验证据时得出的洛伦兹力公式，简言之，洛伦兹力公式是电磁场和带电粒子两大正确观点相结合的产物和必然结果[3]。
二、洛伦兹力的实验教学现状
中学物理关于洛伦兹力的教学在高中的必修3-1部分，在学习安培力之后，作为对安培力的微观解释理论推出洛伦兹力的教学。
目前我国中学阶段的洛伦兹力学习主要以理论教学的方式。
教师利用辅助教具直观、形象地演示某种科学现象，提高学生的学习兴趣并充分调动积极性，是一种非常有效的教学手段。
洛伦兹力的实验主要以阴极射线在磁场中偏转的形式为主，但是这样的设备对于中学生而言比较昂贵，也比较危险。
由于我国目前的教学仪器设计比较落后，能够在中学课堂普遍推广地、科学有效地演示洛伦兹力的实验仪器还处在待研发状态。
本设计给出一种演示洛伦兹力的设计方案，其设计简单、制作成本低廉、演示效果明显，对学生的启发作用突出。
该装置可以显示出带电小球在磁场中的受力作用，通过改变磁场方向和带电小球的运动方向可以看出
总第322期
2019年9
月带电小球所受洛伦兹力的变化。
以宏观的带电体来演示洛伦兹力的作用，通过带电金属球的圆锥摆来解决宏观带电物体受重力影响而难以演示洛伦兹力作用的问题，用摆绳拉力的竖直分力来平衡重力。
该装置可以让物理课堂上抽象的洛伦兹力变得可视化，有利于学生对于电磁学的观察、学习、理解。
三、洛伦兹力演示仪器的设计1.实验仪器的结构
本设计所述的用于物理实验教学的旋转摆球式洛伦兹力演示仪，其整体结构如图1～图3所示。
该装置主要由两部分构成：范式起电机部分(图1、图2)和洛伦兹力演示仪部分(图3、图4)。
范式起电机部分由集电球腔11、起电机支架12、摩擦带13、导电刷14、摩擦棒15、驱动轮16、电动机17组成。
洛伦兹力演示仪部分由上部支架201、上铁芯202、上线圈203、摆球架204、导电丝205、金属摆球206、真空腔207、下线圈208、下铁芯209、下部支架210、开关211、电源212组成。
图1
范式起电机部分正剖面图
图2 范式起电机部分侧剖面图
2.工作原理
本设计的简要工作原理如下。
集电球腔11由金属材料制成，下部镂空成圆形开口，其表面和开口处打磨光滑架接在起电机支架12上。
起电机支架12由绝缘材料制成，其上部固定安装圆柱形状摩擦棒15，摩擦棒15由聚合物材料制成，起电机支架12下部分为电动机17，电动机17的转轴上安装驱动轮16，驱动轮16和摩擦棒15之间安装摩擦带13，电动机17通电后驱动轮16驱动摩擦带13运转。
摩擦带13摩擦摩擦棒15使摩擦带13带点，导电刷14一端紧贴摩擦带13，另一端连接集电球腔11，将摩擦产生的电荷导入集电球腔中。
因集电球腔11为金属球壳，其表面可以积累大量电荷。
用导线将集电球腔11与洛伦兹演示仪上嵌入摆球架204内部的导电丝205连接，导电丝205悬挂金属摆球206，以此将集电球腔11的电荷导入金属摆球206上，使金属摆球206上带有大量电荷。
金属摆球206由摆球架204悬挂在真空腔207内部，摆球架204固定在真空腔207上，真空腔207由透明绝缘材料制成，其内部抽成真空以尽量避免金属摆球206击穿空气放电。
真空腔207上下均安装有绝缘材料制成的线圈支架，上部支架201和下部支架210。
两支架内部均为空心，上部支架201内部装有上铁芯202，外部绕有上线圈203，下部支架内部装有下铁芯209，外部绕有下线圈208。
两线圈与下部支架上的电源212和开关211连接。
当接通开关211时可以使两线圈中通有同方向直流电流，使真空腔207处于较强的磁场环境中，两铁芯的作用是来增强磁场强度。
改变开关211挡位可以改变电流方向，进而改变两线圈形成的磁场方向。
图3
洛仑兹力演示仪部分剖面图
图4 洛仑兹力演示仪的整体结构图
教具设计与制作
实验中，使金属摆球206带上电荷后，断开金属球腔和金属摆球的导线连接。
晃动整个洛伦兹力演示仪。
使其内部的金属摆球206做大幅度的圆锥摆运动后保持仪器稳定，待金属摆球206稳定圆锥摆旋转后，接通开关211使金属摆球处于竖直方向的磁场中。
此时因金属摆球206本身带有大量电荷，又以垂直磁场的方向运动，金属摆球206会受到一个垂直摆球运动方向的水平洛伦兹力作用。
金属摆球206在突然出现的水平洛伦兹力作用下，圆锥摆的运动半径会突然改变。
在一个新的高度上继续做圆锥摆运动。
本设计通过对圆锥摆运动的金属带电小球突然施加一个径向的洛伦兹力改变带电小球的运动轨迹，将洛伦兹力的作用显现出来。
3.洛伦兹力演示仪器的使用方式
(1)探究磁场方向对洛伦兹力的影响
当金属摆球206带负电后，晃动整个演示仪使金属摆球在轨迹1位置做圆锥摆运动(如图5所示)后，启动开关211选择挡位使上线圈203和下线圈208通电流后形成向下的磁场。
金属小球206因为受到指向内侧的洛仑兹力作用，其运动轨迹由轨迹1迅速变成轨迹2，可以明显看到洛仑兹力的作用。
断开开关211后，金属小球206会因为失去了磁场环境而失去洛仑兹力会回到轨迹1位置圆周运动，此时将开关211接通到第二档位使上线圈203和下线圈209通电流后形成向上的磁场，此时金属小球206因为受到指向外侧的洛仑兹力作用，其运动轨迹由轨迹1迅速变成轨迹3(如图6所示)。
(2)探究电荷运动方向对于洛伦兹力的影响
当金属摆球206带负电后，晃动整个演示仪使金属摆球在轨迹1位置做图5中的圆锥摆运动后，启动开关211选择挡位使上线圈203和下线圈208通电流后形成向下的磁场。
金属小球206因为受到指向内侧的洛仑兹力作用，其运动轨迹由轨迹1迅速变成轨迹2，可以明显看到洛仑兹力的作用。
关闭开关后反向晃动演示仪使金属摆球在轨迹1位置反向圆锥摆运动。
启动开关211选择挡位使上线圈203和下线圈208通电流后仍形成向下的磁场，此时带电金属摆球206受到向外的洛伦兹力作用迅速变化到4轨道做圆周运动(如图7所示)。
图5 图6 图7
四、洛伦兹力演示仪器的优点
(1)实验效果明显，课堂吸引力强。
(2)巧妙地将范式起电机与洛伦兹力、圆周运动结合，可以用来验证电学，磁学，运动学等多种物理原理。
(3)本设计以宏观的带电体来显示洛伦兹力的作用，将洛伦兹力宏观化。
(4)本设计结实耐用、不易损坏、使用周期长、展示效果明显。
(5)本设计结构简单，可以推广使学生进行分组
实验。
参考文献
[1] 王富民.奥斯特实验的重大意义[J].物理教
学,2012(10):62-63.
[2] 陈秉乾.以太和电:电磁学史概论[J].物理教
学,2012(2):57-64.
[3] 陈秉乾,王稼军,张瑞明.洛伦兹力公式是怎样给
出的[J].大学物理,2008(8):42-44.
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