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这里是一位学生的实验,对此表示感谢 刘武青 ============================================== [刘武青先生请注意!]今天我在学校做了一天的实验,写了一些东西,请务必看一下!!! 作者:scoopy1234(xxx.xxx.xxx.xxx) 2004/12/24 23:01 字节:8K 点击:3次 帖号:1817 当前论坛: 万有引力定律应改名 [cqfyl.bbs.xilu.com] 添加论坛互换联接 研究性学习 ———《磁场中的电化学反应》实验报告及初步研究 高二（9）班 李昀 一、实验目的，研究方向 1．新型电池的发明 2．电流与哪些因素 3．磁体，磁场在整个实验过程中所起的作用 4．有关实验过程中的功能转化，对能量守不守恒这个问题的探究 5．洛伦兹力和洛伦兹力到底做不做功这个问题的进一步探究 6．整个实验过程中一些非正常现象的研究 在做实验之前我曾拟了令一份实验方法和观察步骤。原本还想定量分析，但由于实验器材有限，只好都改成定性分析，所以许多我之前的假设，目前都无法判断。由于是第一次独立实验，实验过程中有许多不规范操作和误差，请以怀疑的态度继续阅读并希望您指出我的不足。 三、实验方法和观察结果 1、 所用器材及材料 （１）：长方形塑料容器一个，秒表，电流表，-30至30微安，本实验红色正接头用的是G0。 （２）：磁体两块，磁性一样。 （３）：塑料瓶二个，内装硫酸亚铁，分析纯（含少量杂质）；铁粉；KSCN，HCL，NACL溶液 （４）：铁片两片。（对铁片要进行除锈处理，用砂纸除锈、或用刀片除锈、或用酸清洗；A铁片为在步骤4中用磁铁磁化的铁片，另外一个为B铁片，以下叙述中A，B不变。） 示意图 操作步骤： 1．将塑料瓶中的硫酸亚铁倒一些在纸上，压碎硫酸亚铁晶体，用磁体靠近硫酸亚铁，这时有一部分硫酸亚铁被吸引在磁体上，说明硫酸亚铁是铁磁性物质。 2．将铁片分别放在塑料容器中的NACL溶液两端中，但要留部分在溶液之上，以便用导线连接。虽然两个电极是用的同种金属铁，但是有电流的产生。（说明铁片不纯，但是本人已经对铁片要进行除锈处理，用砂纸除锈、用刀片除锈、用酸清洗了多次，并用磁铁验证其确实是铁。） 3．将磁体放在其中一个铁片上，电流无变化。（说明磁体对此装置的电流无作用。） 4．将铁片分别放在塑料容器中的硫酸亚铁溶液C1两端中，但要留部分在溶液之上，以便用导线连接。用磁铁磁化A铁片，A铁片与电流表的负接线处相连，B铁片则与正接线处相连。这时电流表的读数I由1-2。 5．改变A、B的正、负接线处，这时电流表的读数I由-1到-2。 6．再加入硫酸亚铁溶液C2（C2大于C1），I明显增大，但A、B铁片看不出有明显的增加或减少。 7．再加入少许还原性铁粉，一开始I无明显变化。 用玻璃棒匀速顺时针搅拌，电流表的指针先向右大幅度摆动，然后左右摆动，搅拌的速度越大，指针的摆动越明显，电流表的指针摆动的总体趋势向右；若逆时针，电流表的指针先向左小幅度摆动，然后左右摆动，搅拌的速度越大，指针的摆动越明显，电流表的指针摆动的总体趋势不明确。 8．停止搅拌后，观察示数，示数逐渐恢复，在-20时不再变化。这时将磁体移走，重复第一次的搅拌步骤，现象基本一致。停止搅拌后，观察示数，示数逐渐恢复，从-14时，我开始记时，到-5时，T1=4.03.55, -5到-4,这之间时间很长,接着我又重复第一次的搅拌步骤, 现象基本一致。到-3时,T2=15.52.33,最后在-2时不再变化。 9．我将两磁体的N极移到B铁片上，I=-2。 10．我将塑料容器中的硫酸亚铁溶液倒掉，用硫酸亚铁溶液C2（因为时间长了，硫酸亚铁溶液不纯），铁片浸入溶液的深度和之前一样。磁体还在B铁片一侧，I=-1.5(从0开始记时)T3=57.34, 重复第一次的搅拌步骤，现象基本一致。停止搅拌后，观察示数，示数逐渐恢复到I=0,T4=6.53.00。 11．再用S极磁化B，开始记时，I示数到0.7时基本不变,T5=31.10 12．将一磁体从B上移走,I=0.2;再用这一磁体的N极磁化A，I=0.1;再将B上的令一磁体移走,I由0.2(指磁体移走瞬间电流变化的读数)变为0.1(最后稳定的读数);再把A上的磁极换成S极磁化A，I由-0.01(指磁体移走瞬间电流变化的读数)变为0.11(最后稳定的读数;最后用两磁体的N,S极磁化A, I由0.4(指磁体移走瞬间电流变化的读数)变为0.2(最后稳定的读数)。 13．最后KSCN检验电解质溶液，无铁离子。长方形塑料容器底部的溶液中发现有淡黄色沉淀。 四、实验结果讨论 这个实验我在实验室花了一天才做完，整个实验过程中出现了许多非正常现象，关于这些现象的解释与研究，我会再反复做实验并请教老师，将在下文一一说明，现在我先结合实验现象谈谈我的想法和我已证明的观点。 1. 这样的装置能否改造成为新型电池? 由于可以改变磁体的位置,即原本不被磁体磁化的铁片,再不段消耗,快要消耗完时,将磁体移到这个铁片上,这样这个铁片上的铁就在不断补充.这样循环利用,是否有实际利用价值呢?? 如果要达到利用这一高度,还需改造与进一步研究! 2.电流和哪些因素有关系？ 从现象来看是有很多的，如磁场强度、位置，溶液溶度，溶液的温度，铁片在溶液中的深度等。 现在稍微清楚的是磁场强度大了，可以在磁场电极附近形成密度较大的铁离子密集区。电流和磁场的强度成正比。 溶液的温度升高了，可以提高溶液中铁离子的漂移速度，加快电极吸附铁离子的过程。因为还要涉及到电极周围铁离子的密度以及电极的电场对铁离子漂移的影响，电流只能近似的和开氏温度成正比。 溶液溶度，铁片在溶液中的深度也可以近似的说是与电流成正比。 它们增大都会使导线中的电流强度增加。 此外还有一个铁离子价位和电流的关系，比如三价铁离子和二价铁离子。三价铁离子要优越的多，三价铁离子要比二价铁离子更容易使导线获得较高的电压和较大的电流。但最后KSCN检验电解质溶液，无铁离子。 3.实验过程中有哪些能的转化、能量守不守恒？ 能量守恒和转化定律不能成立已经确定无疑，但若不进行定量的计算，谁也不能说明！！ 由于条件限制不能定量，但在这里我想指出有哪些能量。 .1磁体使铁磁化这个过程的能量,E1 .2磁体对溶液中原本以离子形式存在的磁性离子得电子后变为原子的吸引(磁化?).F1,W1 .3整个实验过程中的热能的变化Q1 .4微粒在运动碰撞过程中的辐射的能量E2(不知道这里说的对不对) .5磁体对电流会不会做功,W2 能量守恒和转化定律被看作是19世纪重要的科学发现之一，并且对于人类科学向物质世界进军的过程中，做出了非常重要的贡献。这是大家有目共睹的。它最大的应用价值在于对未知的物质运动变化建立一种等量的关系。在近代科学的发展上，能量守恒和转化定律的大量应用似乎被认为是正确的。从光的能量子理论到原子核领域中的中微子的发现，似乎都包含着能量守恒和转化定律的成功应用。但是对于这些能量守恒和转化定律的应用，我并不认为是成功的。 虽然磁场的电化学效应所产生的电流是很微小的，但是我们却可以采用永久磁铁和硫酸亚铁溶液永久的产生这种电流。这个试验可以证明能量守恒和转化定律能不能成立,只要将实验过程中的功能转化进行定量的计算,这对于我来说显然是不现实的。 4.洛伦兹力到底做功不做功？ 洛伦兹力有两种定义。一种是相对论电动力学给出的定义，它考虑物理规律的协变性，把运动电荷在电磁场中受的电力作用和磁力作用之和定义为洛伦兹力（《电磁学》赵凯华陈熙谋编著 第二版 高等教育出版社P441）。另一种定义是：运动电荷在磁场中受的力（《电磁学》P406）。人们通常说洛伦兹力时都指后一种定义给出的洛伦兹力，这里所指的洛伦兹力也是以后一种定义给出的为准。 物理学中给出了明确的结论，即洛伦兹力永远不做功。例如，《电磁学》在给出洛伦兹力的定义后，指出“由于洛伦兹力的方向总与带电粒子速度的方向垂直，洛伦兹力永远不对粒子做功。它只改变粒子运动的方向，而不改变它的速率和动能。”（《电磁学》P406）。再如，《电磁学》在研究动生电动势时指出，洛伦兹力的一个分量做正功，另一个分量做负功，“可以证明两个分量所做的功的代数和等于零。因此，洛伦兹力的作用并不提供能量，而只是传递能量，即外力克服洛伦兹力的一个分量f'所作的功通过另一个分量f转化为感应电流的能量”（《电磁学》P483）。事实上，在考察带电粒子在均匀磁场中的运动规律并建立洛伦兹力与粒子离心力的等式关系时，就是以洛伦兹力不做功为前提的（参考《电磁学》P410）；电子荷质比与速度关系的实验测定，回旋加速器的基本原理均建立在此基础之上。。。。。。先，我们必须明确的是，研究和把握问题的实质必须从多方面下手加以考察，正如伽利略的教导：“在考察物质和事物的本质上,多了解一点事情要有用的多."(《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》P525)”下面就让我们开始这个考察。 一：安培力与洛伦兹力做功问题。 所谓安培力，是指一段电流元Idl在外磁场B中受的力（可参阅《电磁学》P387）。安培力的微观本质是洛伦兹力，“导线受的安培力就是作用在各自由电子上洛伦兹力的宏观表现”（《电磁学》P408）。安培力与洛伦兹力的联系还会有霍耳效应。（可参考《电磁学》P409小字部分，也可参考《电磁学》“霍耳效应”一节 P419~P422）。 因此可借助于安培力是否做功来考察洛伦兹力是否做功的问题。而安培力可以不做功，也可以做正功，它还可以做负功。 所以，从这个角度看，笼统地说洛伦兹力不做功是不恰当的，而说洛伦兹力永远不做功显然是错误的。 二：磁性电荷与洛伦兹力做功问题 所指的“洛伦兹力”是指磁铁对电化学反应中原先“静止”的磁性离子的吸引力，这个力自然是做功的，但这个力是不是通常意义上人们所指的洛伦兹力。这样的运动电荷进入均匀磁场，除了会有通常意义上的洛伦兹力外，只会使它产生扭矩，只有当它进入非均匀磁场时，才会产生吸引力，从而磁力才会对它的位移有力的贡献。为什么不会产生排斥力呢,还有磁性离子在被吸引过程中是怎样运动的呢? 经过分析，我们得到如下结论：没有充分的证据证明洛伦兹力是不做功的，倒是有不少明确的证据能证明洛伦兹力可以做功。因此，笼统地说洛伦兹力不做功是错误的。或许真相是洛伦兹力在某些情形下做功，而在另一些情形下不做功；或许洛伦兹力在所有的情形里都做功，如是，则许多电磁实验数据需要重新加以分析，回旋加速器的原理需要加以改进，而相关的理论要么需要加以修改，要么需要抛弃。 五、学习总结 然而，人类研究宏观物质世界的方法和微观物质世界的方法是绝对的不同，不能将研究宏观物体运动变化的规律应用到微观物质世界中去。我们不能象宏观世界中研究物体的运动变化一样，采用试验的方法来确定微观物质世界的运动变化。因为这是所面对的大量的不能进行观测的微观物质分子的无规则运动。以上讲到的许多问题既与宏观有关又与微观有关,这次因为时间紧迫,我只是做了一次简单的实验,并不能证明什么,我会再反复做实验,把实验中的现象尽可能的搞明白,同时运用多种方法去研究,多与同学老师交流,问题也许会越来越多,但只要有恒心与毅力,世界上没有事物是不可知的! 高二（9）班 李昀 二○○四年十二月二十四日星期五 十分感谢你在百忙之中抽时间为我解答！非常感谢！！ 请发邮件（E-mail:hilee_007@163.com）或在论坛上发帖子！！ 非常感谢！！ ---------------------------------------- [刘武青先生请注意!]今天我在学校做了一天的实验,写了一些东西,请务必看一下!!! [scoopy1234] 8K 12.24 23:01 3 感谢您的重复实验 [刘武青] 56 12.28 09:13 1 ========================================================= ※※※※※※ 刘武青 |