CN102855797B - 一种演示带电粒子在匀强磁场中运动规律的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种演示带电粒子在匀强磁场中运动规律的实验装置，包括电源单元、电流换向单元和电解槽，所述电解槽包括盛有电解液的水槽和设置于水槽下方的环形线圈，该线圈外接励磁电流，产生磁场，所述水槽中部设置有第一电极，所述水槽沿内壁设置有的金属圈为第二电极，所述第一电极和第二电极分别与电源单元连接。本发明既形象直观地演示了带电离子在磁场中的运动规律，又增加了趣味性，激发学生学习科学的兴趣。并且装置成本低、制作简单、操作简单以及效果明显。本装置可说明电解质溶液的导电性，其内部存在着自由移动的阴阳离子和电场、磁场对带电粒子有力的作用以及作用力的特点；可形象直观地演示带电粒子在磁场中的运动规律。

Description

一种演示带电粒子在匀强磁场中运动规律的实验装置

技术领域

本发明涉及一种演示仪器，特别涉及一种演示带电粒子在匀强磁场中运动规律的实验装置。

背景技术

带电粒子的运动由于涉及的往往是微观粒子的运动，所述很难用合适的实验演示器件来进行直观形象的展示，传统的方式往往是采用云室来显示粒子的运动轨迹，这样不仅对实验器材要求很高，而且演示前需要比较繁琐的交待，现象也不够生动直观，另外一种方式是采用阴极射线管作为演示带电体加速的试验装置，但是它只能让我们通过观察电子束打到荧光屏上的径迹，来体会电子被加速的过程，不能宏观观察带电体的运动情况，不能够取得良好的效果。

因此急需一种能直观演示带电粒子在匀强磁场中运动规律的实验装置。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种能直观演示带电粒子在匀强磁场中运动规律的实验装置。该装置克服现有实验装置不能宏观观察带电体的运动情况的缺陷。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种演示带电粒子在匀强磁场中运动规律的实验装置，包括电源单元、电解槽，所述电解槽包括盛有电解液的水槽和设置于水槽下方的励磁装置，所述水槽中部设置有第一电极，所述水槽沿内壁设置有的金属圈为第二电极，所述第一电极和第二电极分别与电源单元连接。

进一步，还包括电流换向单元，所述电流换向单元包括第一二极管、第二二极管和转换开关，所述转换开关的静触点与第二电极连接，所述转换开关的一个动触点与第一二极管的负极连接，所述转换开关的另一个动触点与第二二极管的正极连接，所述第一二极管的正极与第二二极管的负极连接后与电源端连接。

进一步，还包括漂浮物，所述漂浮物为漂浮于电解液中的轻小物体。

进一步，所述励磁装置为环形线圈，外接励磁电流，产生磁场；

进一步，所述励磁装置为环形磁铁。

本发明的优点在于：本发明利用跨学科知识，把物理和化学知识很好地结合起来，既形象直观地演示了带电离子在磁场中的运动规律，又增加了趣味性，激发学生学习科学的兴趣。并且装置成本低、制作简单、操作简单以及效果明显。本装置可说明电解质溶液的导电性，其内部存在着自由移动的阴阳离子；可形象说明电场、磁场对带电粒子有力的作用以及作用力的特点；可形象直观地演示带电粒子在磁场中的运动规律。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为正负离子在电场中的运动示意图；

图2为磁场形成示意图；

图3为漂浮物受力示意图；

图4为漂浮物运动轨迹示意图；

图5为接线示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为正负离子在电场中的运动示意图，如图所示：本发明提供的一种演示带电粒子在匀强磁场中运动规律的实验装置，包括电源单元和电解槽，所述电解槽包括盛有电解液的水槽和设置于水槽下方的励磁装置，该励磁装置采用环形线圈，外接励磁电流，从而产生磁场，也可以采用环形磁铁来产生磁场，所述水槽中部设置有第一电极，该第一电极采用铜棒，或铁棒，或其他金属棒状物体，所述水槽沿内壁设置有的金属圈为第二电极，所述第一电极和第二电极分别与电源单元连接。

还包括电流换向单元，所述电流换向单元包括第一二极管、第二二极管和转换开关，所述转换开关的静触点与第二电极连接，所述转换开关的一个动触点与第一二极管的负极连接，所述转换开关的另一个动触点与第二二极管的正极连接，所述第一二极管的正极与第二二极管的负极连接后与电源端连接。

还包括漂浮物，所述漂浮物为能漂浮于电解液中的轻小物体（如，小纸片、小纸船、小木块或小塑料泡沫等）。

下面描述详细演示带电粒子在匀强磁场中运动规律的实验装置的原理：

电荷在磁场中运动会受到磁场力的作用，也就是洛仑兹力，洛仑兹力的表达式为：

，式中，q为运动电荷的电荷量，v为该电荷运动的速率。如果让带电粒子的速度方向垂直于磁场方向，那么在洛仑兹力的作用下，带电粒子就会做圆周运动。因此，我们想到运用溶液中电离的离子代替带电粒子，首先让其在电场力的作用下运动起来（制作水槽，加电场），如图1所示。若在溶液中放置一个漂浮物（如，小纸片），由于正负离子受电场力方向相反，其运动的方向就相反，从统计的角度来说，正负离子对漂浮物的作用力相互抵消，所以在加电场而未加磁场的情况下，漂浮物将静止不动。然后再加一个垂直于带电粒子运动方向的磁场（制作环形线圈，通电产生磁场，如图2所示），由于产生磁场线圈的轴线方向与电解槽的液面方向垂直，所以根据“右手螺旋定则”可知，通电线圈产生的磁场方向与正负离子的运动方向垂直。根据“左手定则”可知，正负离子所受的洛仑兹力方向是与径向垂直的切线方向，而且方向相同。

正负离子在洛仑兹力的作用下，偏离原来的径向方向而运动，但是不论其怎样偏离，正负离子所受的洛仑兹力方向始终与运动方向垂直。大量运动着的正负离子对漂浮物的作用结果，在径向由于方向相反而抵消，在切向方向相同而加强，所以漂浮物会沿着它所在的位置的切向运动而形成转动，如图3所示。因此，可用漂浮物转动的切线方向表示洛仑兹力的方向。

当漂浮物开始转动时，速度不断增加，但其所受液体的阻力也随之增大。当漂浮物所受液体的阻力与所受离子作用力相平衡时，漂浮物将做匀速圆周运动（由于实验中的电场和磁场都非均匀，漂浮物的转动，只能视为近似的匀速圆周运动），如图4所示。当离子运动速度或磁场的磁感应强度增大时，离子所受的洛仑兹力增大，离子对漂浮物的作用力增加，漂浮物的转速随之增加，当液体阻力与离子作用力重新达到平衡时，漂浮物又以较大的速度作匀速转动。因此可用漂浮物转动的快慢来表示洛仑兹力的大小。

改变电场的方向，使正负离子的运动方向改变, 或改变磁场线圈中的电流方向，使磁场方向与原来相反，漂浮物转动方向都随之改变，这说明洛仑兹力的方向不但与电荷运动方向有关, 也与磁场方向有关。不论电荷的运动方向和磁场方向如何改变，洛仑兹力的方向与其二者的关系, 都符合“左手定则”。

增大或减小电场的大小，使正负离子运动速度变快或变慢；或增加、减小线圈中电流强度，使其磁场增强、减弱，漂浮物的转动速度都将随之变快或变慢，这说明洛仑兹力的大小不但与电荷运动速度有关, 也与磁场的强弱有关。当电荷运动速度或磁感应强度增加时，洛仑兹力将增大，反之，洛仑兹力将减小。

下面详细描述演示带电粒子在匀强磁场中运动规律的实验装置的制作过程：

（1）制作1个方型木盒

用电锯裁取24*24cm的木板一块，23*5cm的4根木条，表面用砂纸抛光，然后用胶水将木板和木条粘成24*24*5cm的木盒子。

（2）制作有机玻璃水槽

用钢锯裁剪24*24的一块有机玻璃板，4根5cm的有机玻璃棒。首先，在有机玻璃板距离一边10cm，另一边12cm的地方打一个0.9cm的孔。用1cm的丝攻将这个孔丝出螺纹。用丝套将5cm的铜棒丝出2cm长的螺纹。然后将表面皿粘贴于以刚才打的孔为中心的位置，然后用密封胶密封。

（3）组合仪器

在方型木盒上面画出单刀双置开关以及5个接线柱所需要的孔的位置，将接线柱和开关固定在木盒的表面。在木盒的表面打四个没有打穿的直径为1cm的洞，然后将4根有机玻璃棒插入，和有机玻璃水槽对接好，用万能胶水将二者粘起来。做一个小纸船或一小纸片备用。

（4）接线

在有机玻璃水槽的铜棒的下方焊上根引线，这个铜棒便是一个电极了。再用一根较粗的铜导线，做一个跟电解槽内径一样大小的圆环，并焊上引线固牢在电解槽内，引线从容器的侧壁上穿引出去，这是另一个电极。然后再把电解槽放在产生磁场的线圈上面，电解槽底中央处的电极引线从线圈和木板的中空处引出，跟电解槽壁上的另一个电极引线分别固牢在木板中的接线柱上，接线图如图5所示。

下面详细描述演示带电粒子在匀强磁场中运动规律的实验装置的使用步骤与效果：

1．将配制好的饱和食盐水电解质溶液倒入电解槽中，固定在磁场中;接入交流电源和励磁电流。

2．当开关与S1接通时，红色的发光二极管正向导通，电解液导通电路，说明电解液中存在自由移动的阴阳离子，同时电解液在磁场的作用下开始转动。在电解槽中放入参照物（如，小纸片、小纸船、小木块或小塑料泡沫，等），参照物随电解液一起运动。

3．当开关与S2接通时，绿色的发光二极管正向导通，电解液反方向转动，参照物随电解液一起反方向运动。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种演示带电粒子在匀强磁场中运动规律的实验装置，其特征在于：包括电源单元和电解槽，所述电解槽包括盛有电解液的水槽和设置于水槽下方的励磁装置，所述水槽中部设置有第一电极，所述水槽沿内壁设置的金属圈为第二电极，所述第一电极和第二电极分别与电源单元连接；

还包括电流换向单元，所述电流换向单元包括第一二极管、第二二极管和转换开关，所述转换开关的静触点与第二电极连接，所述转换开关的一个动触点与第一二极管的负极连接，所述转换开关的另一个动触点与第二二极管的正极连接，所述第一二极管的正极与第二二极管的负极连接后与电源端连接；

还包括漂浮物，所述漂浮物为漂浮于电解液中的轻小物体；

所述励磁装置为环形线圈，外接可调励磁电流，通过改变励磁电流的大小来改变磁场大小，通过改变励磁电流的方向来改变磁场方向。

2.根据权利要求1所述的演示带电粒子在匀强磁场中运动规律的实验装置，其特征在于：所述励磁装置为环形磁铁。