一种模拟电场线的新方法
——用高锰酸钾描绘电场线

石晓明

(宁波外国语学校，浙江 宁波 315010)

高中阶段静电场的内容是一个学习难点,其中一个主要原因是电场既无法像力被人为直接感知,也无法如磁场可以被小磁针的方向直观地表现．

在静电场教学中,我们考虑采用高锰酸钾(KMnO4)作为媒介,在高压作用下直接产生电场间的电场线模拟图像．而这一过程也可以作为高中阶段物理和化学跨学科教学研究的探索．

1 预备知识

(1) 学生已初步了解高锰酸钾的特点(强氧化剂,紫红色晶体,可溶于水);并对于电解液的配置和机理基本明晰．

(2) 学生明确带电粒子在电场中将会受力并运动．

2 材料选择

我们选择高锰酸钾的原因是其色彩鲜艳,非常便于观察,且只需要极少量即可．同时,也是相对安全的化学试剂．实验的一个难点是高锰酸钾较容易溶于水,成为溶液后将无法肉眼观察其中的高锰酸根离子运动,所以溶液的浓度将是关键．考虑到需要背景更好地呈现出颜色的变化,我们尝试使用滤纸．另外,由于需要让高锰酸根离子运动,我们考虑利用氯化钠溶液(0.5%)．最后,实验需要一个恒压电源产生电场．

3 研究过程

在具体操作过程中,开始学生尝试利用普通滤纸进行实验,将滤纸放于盐水中,然而发现放入高锰酸钾后立即成为溶液,无法呈现图像．后续调整中,教师和学生一起考虑采用更为轻薄的咖啡滤纸浸润氯化钠溶液后进行实验,这样即保证了高锰酸钾可以部分溶解于水中进而在电场作用下在滤纸上运动留下印迹,又不会完全成为溶液无法观察．通过不断尝试,我们发现220 V以上的电压可以产生明显的效果(这个过程中,教师需要亲自陪同学生进行实验,防止触电危险)．

3.1 具体装置和操作如下(图1-图6)

图1 直流高压电(600 V)

图2 氯化钠浸润后的咖啡滤纸放置于玻璃皿后接入电极

图3 打开电源后，撒入高锰酸钾微粒

图4 10 s后，明显看到在滤纸上有高锰酸根离子运动的紫红色轨迹

图5 20 s后，可以看到有更为明显的紫红色运动轨迹

图6 30 s后，产生了明显的类似于电场线的运动轨迹

3.2 实验改进

考虑到实验中高锰酸钾非常容易溶解,我们研磨了更为细小的高锰酸钾颗粒,并且利用两根细针作为电源的正负极,30 s后可以获得如图7的图像,此图像和课堂上提到的等量异种点电荷电场线分布(图8)已经非常接近．

图7

图8

利用同样的方式,我们还可以获得直观的点电荷的电场线分布模拟图像(如图9).

图9

通过实验,我们看到利用高锰酸钾颗粒,我们可以非常好地模拟电场线的分布情况,这与我们在后面利用小磁针模拟磁感线非常类似．学生在这个研究过程中,即获得了明显的电场线分布模拟图像,又利用了已学的化学知识,是一个非常精彩的探索过程．