磁感應(yīng)強(qiáng)度探究實(shí)驗(yàn)器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

柯本勇 陳愛(ài)峰

為幫助高中生更好地認(rèn)識(shí)和理解“磁感應(yīng)強(qiáng)度”這一反映磁場(chǎng)屬性的重要物理概念，在教學(xué)中展現(xiàn)科學(xué)探究的過(guò)程和科學(xué)研究方法，我們?cè)O(shè)計(jì)、制作了“磁感應(yīng)強(qiáng)度探究實(shí)驗(yàn)器”，并利用該實(shí)驗(yàn)器采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳細(xì)說(shuō)明其在“磁感應(yīng)強(qiáng)度”教學(xué)中的多種應(yīng)用。

一、項(xiàng)目背景與設(shè)計(jì)思想

當(dāng)前中學(xué)物理在“磁感應(yīng)強(qiáng)度”概念教學(xué)中普遍采用的教學(xué)方法是：通過(guò)對(duì)安培力的定性或半定量實(shí)驗(yàn) “探究影響通電導(dǎo)線(xiàn)受力因素”，給出安培力計(jì)算公式 F=BIL(B為比例常數(shù))，再通過(guò)講解給出磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念和定義式：這種教學(xué)方式使得實(shí)驗(yàn)規(guī)律“F∝I，F(xiàn)∝L”的可信度不高，對(duì)“磁感應(yīng)強(qiáng)度”由磁場(chǎng)本身決定、反映磁場(chǎng)本身的屬性等知識(shí)點(diǎn)突出不夠，一定程度上影響了學(xué)生對(duì)這一物理概念的學(xué)習(xí)與理解。怎樣有效地幫助學(xué)生建立“磁感應(yīng)強(qiáng)度”這個(gè)抽象概念？現(xiàn)代教學(xué)理念認(rèn)為：運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行探究是學(xué)生學(xué)習(xí)抽象概念的理想教學(xué)方式。事實(shí)上，“探究磁感應(yīng)強(qiáng)度定量實(shí)驗(yàn)”是目前高中物理教學(xué)中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)難題。這一難題使教師失去了一個(gè)對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究方法教育的良好時(shí)機(jī)，同時(shí)也使學(xué)生失去了一個(gè)親身體驗(yàn)科學(xué)研究過(guò)程的機(jī)會(huì)。多年來(lái)，很多物理教育工作者對(duì)“安培力定量實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行了研究并提出了許多改進(jìn)方案，由于這些方案沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察磁場(chǎng)對(duì)安培力的影響，所以利用它們進(jìn)行“磁感應(yīng)強(qiáng)度”概念的教學(xué)仍然存在缺陷。我們認(rèn)為：要彌補(bǔ)這一缺陷，需要在原“安培力定量實(shí)驗(yàn)”的基礎(chǔ)上加入磁場(chǎng)對(duì)安培力的影響的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。因此，我們嘗試設(shè)計(jì)一種全新的 “磁感應(yīng)強(qiáng)度探究實(shí)驗(yàn)器”，希望可以達(dá)到以下目標(biāo)：解決恒定勻強(qiáng)磁場(chǎng)安培力定量實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，通過(guò)定量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，歸納總結(jié)出安培力大小的實(shí)驗(yàn)規(guī)律；能實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)安培力的影響的定量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)定量比較磁場(chǎng)強(qiáng)弱，用數(shù)據(jù)說(shuō)明恒定磁場(chǎng)中的某處B與F，I，L無(wú)關(guān)；在實(shí)現(xiàn)以上功能的同時(shí)要有較高的實(shí)驗(yàn)精度，且操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)讀取方便。

二、項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

1.主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先選擇測(cè)量安培力的儀器。眾所周知，在中學(xué)實(shí)驗(yàn)室所具備的條件下通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式能夠?qū)崿F(xiàn)的安培力很小，為了能夠演示和測(cè)量較小的安培力，我們選擇利用天平結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到較高的實(shí)驗(yàn)精度，采用精確度為0.1克的電子天平，在精確測(cè)量時(shí)將力傳感器與天平連接為一體。

根據(jù)安培力計(jì)算公式，獲得較大的安培力須滿(mǎn)足強(qiáng)磁場(chǎng)、大電流、長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)等條件。我們選用比較大的鐵氧永磁體作為“勻強(qiáng)磁場(chǎng)”的場(chǎng)源；用繞制線(xiàn)框的方式增加通電導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度；用功率較大的低壓開(kāi)關(guān)電源供電以求其能夠承受較大的電流。采用不同的磁鐵組合形式改變磁場(chǎng)，用于探究磁場(chǎng)對(duì)安培力的影響；為了控制電路中的電流不過(guò)載并大小可調(diào)，利用串聯(lián)限流的方法加裝限流電阻和電位器；線(xiàn)框每繞相同匝數(shù)進(jìn)行抽頭，以便于調(diào)節(jié)通電導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度。以線(xiàn)框直接作為天平的橫梁，這樣既可以簡(jiǎn)化教具結(jié)構(gòu)，又能增加實(shí)驗(yàn)的可信度；用直徑較大的漆包線(xiàn)繞制線(xiàn)框，以盡量減小導(dǎo)線(xiàn)發(fā)熱對(duì)電路產(chǎn)生的影響。考慮到線(xiàn)框四邊都會(huì)受磁場(chǎng)的影響，為減小系統(tǒng)誤差，線(xiàn)框的長(zhǎng)度應(yīng)能夠?qū)⒂纱水a(chǎn)生的誤差控制在可接受范圍內(nèi)。

2.輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

線(xiàn)框天平的刀口支架、電子天平的力傳感器、分隔場(chǎng)源磁鐵的固定擋塊、控制面板盒、氣泡水平儀、底座水平調(diào)節(jié)螺絲安裝于底座上；電源、控制電路置于控制面板盒內(nèi)；天平指針、自制鉤碼支架、天平橫梁平衡調(diào)節(jié)滑塊安裝于線(xiàn)框上；天平平衡標(biāo)志、開(kāi)關(guān)、數(shù)字電流表、長(zhǎng)度調(diào)節(jié)旋鈕、電子天平顯示控制板等置于控制面板上；對(duì)面板進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，達(dá)到操作控制方便、美觀(guān)、可視性強(qiáng)等目標(biāo)。

圖1 磁感應(yīng)強(qiáng)度探究實(shí)驗(yàn)器的設(shè)計(jì)效果圖

3.教具成品的基本結(jié)構(gòu)及主要部件的作用

我們制作出的磁感應(yīng)強(qiáng)度探究實(shí)驗(yàn)器如圖2所示。

圖2 磁感應(yīng)強(qiáng)度探究實(shí)驗(yàn)器

該實(shí)驗(yàn)器由底座、場(chǎng)源磁鐵、電子天平、控制盒(兼面板)、電源、自制鉤碼等構(gòu)成。底座上安裝有天平支架、水平調(diào)節(jié)螺絲、氣泡水平儀、磁鐵隔離塊、電子天平力傳感器等；電源及控制電路置于控制盒內(nèi)；面板上裝有電源開(kāi)關(guān)、數(shù)字電流表、電子天平顯示屏、通電導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度調(diào)節(jié)旋鈕、電流調(diào)節(jié)旋鈕、電流倒向開(kāi)關(guān)等。

教具以導(dǎo)線(xiàn)框作為天平橫梁，線(xiàn)框一邊置于由場(chǎng)源磁鐵構(gòu)成的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，且與磁場(chǎng)方向垂直；另一邊設(shè)有鉤碼支架，并可通過(guò)磁釘連接電子天平的力傳感器；長(zhǎng)度調(diào)節(jié)旋鈕通過(guò)改變線(xiàn)圈匝數(shù)的方式改變通電導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度；電流調(diào)節(jié)旋鈕用串聯(lián)限流的方法控制線(xiàn)圈中的電流強(qiáng)度；數(shù)字電流表用于顯示線(xiàn)框中的電流強(qiáng)度；電子天平屏幕用于顯示安培力的大小(以“克力”為單位)；實(shí)驗(yàn)時(shí)還可以通過(guò)改變場(chǎng)源磁鐵的組合方式改變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。表中的l表示在磁場(chǎng)中導(dǎo)線(xiàn)單位長(zhǎng)度。

4.磁感應(yīng)強(qiáng)度探究實(shí)驗(yàn)器的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 測(cè)量一個(gè)較弱的磁場(chǎng)

表2 測(cè)量一個(gè)較強(qiáng)的磁場(chǎng)

對(duì)以上數(shù)據(jù)分析表明：在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)弱發(fā)生變化前后實(shí)驗(yàn)規(guī)律并不發(fā)生改變，變化的只是比例常數(shù)B。這說(shuō)明勻強(qiáng)磁場(chǎng)中某個(gè)位置B值的大小由場(chǎng)源決定，它與導(dǎo)線(xiàn)是否通電、電流的大小、導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度沒(méi)有直接關(guān)系，B反映了磁場(chǎng)本身的屬性。

實(shí)際教學(xué)中可以在“安培力定量實(shí)驗(yàn)”找到實(shí)驗(yàn)規(guī)律(F=BIL)之后，再探究實(shí)驗(yàn)規(guī)律表達(dá)式中的不變量：即某幾個(gè)物理量的比值B。利用改變磁場(chǎng)強(qiáng)弱(或線(xiàn)框與場(chǎng)源相對(duì)位置)的方式探究比例常數(shù)B(磁感應(yīng)強(qiáng)度)的變化對(duì)安培力大小的影響，強(qiáng)化“磁感應(yīng)強(qiáng)度”概念。

以下數(shù)據(jù)是定量探究在恒定勻強(qiáng)磁場(chǎng)中垂直于磁場(chǎng)方向的通電導(dǎo)線(xiàn)受到的安培力(F)與導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度(L)、導(dǎo)線(xiàn)中電流強(qiáng)度(I)之間的數(shù)量關(guān)系，可用于分析安培力的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

表3 恒定磁場(chǎng)安培力相關(guān)量數(shù)據(jù)

導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度L 電流強(qiáng)度I/A 安培力F/gf 0.1 1.9 0.196 3.9 0.294 6.0 0.4 8.1 0.492 9.9 0.622 12.4 2l

導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度L 電流強(qiáng)度I/A 安培力F/gf 0.1 2.9 0.191 5.6 0.296 8.8 0.394 12.0 0.499 15.2 0.595 17.8 3l

三、教具的應(yīng)用

使用前應(yīng)注意：首先調(diào)節(jié)底座上的水平螺絲，使水平儀氣泡處于中間位置；確保電源開(kāi)關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)，倒向開(kāi)關(guān)處于“正向”位置；將電流調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至其電阻最大，長(zhǎng)度調(diào)節(jié)旋鈕指向“0”位置；取下線(xiàn)框與電子天平力傳感器間的磁釘，調(diào)節(jié)橫梁平衡滑塊使天平平衡。

1.簡(jiǎn)單應(yīng)用

開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)，數(shù)字電流表顯示電路中無(wú)電流；長(zhǎng)度調(diào)節(jié)旋鈕旋至“1”位置，電流表顯示電路中有電流通過(guò)，可見(jiàn)天平受到安培力作用而失去平衡；將一自制鉤碼輕輕掛于自制鉤碼支架上，調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)旋鈕使天平恢復(fù)平衡狀態(tài)。

若要進(jìn)一步粗略考察安培力與電流的關(guān)系，需記錄電流強(qiáng)度的大小和鉤碼的數(shù)量；隨后依次在自制鉤碼支架上輕輕加掛自制鉤碼，并調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度的大小使天平再次恢復(fù)平衡。通過(guò)記錄的數(shù)據(jù)能夠分析出安培力的大小與電流強(qiáng)度大小成正比。

若要粗略考察安培力與通電導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度的關(guān)系，需記錄通電導(dǎo)線(xiàn)單位長(zhǎng)度的倍數(shù)和鉤碼的數(shù)量；旋轉(zhuǎn)長(zhǎng)度調(diào)節(jié)旋鈕依次改變磁場(chǎng)中通電導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度，并加掛鉤碼(必要時(shí)微調(diào)電流)使天平再次恢復(fù)平衡。通過(guò)記錄的數(shù)據(jù)可以分析出安培力的大小與通電導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度成正比。

2.利用電子天平定量測(cè)量

用磁釘將天平橫梁與電子天平的力傳感器連接起來(lái)；開(kāi)啟電子天平，待電子天平示數(shù)為“0”后可利用“控制變量法”進(jìn)行一系列定量實(shí)驗(yàn)：

在磁場(chǎng)和線(xiàn)框匝數(shù)不變的情況下，通過(guò)電流調(diào)節(jié)旋鈕依次改變通電導(dǎo)線(xiàn)的電流強(qiáng)度，并記錄安培力(以“克力”為單位)和相對(duì)應(yīng)的電流強(qiáng)度值；通過(guò)數(shù)據(jù)分析(擬合曲線(xiàn))可以得出實(shí)驗(yàn)規(guī)律：“F∝I”；在磁場(chǎng)不變的情況下，旋動(dòng)長(zhǎng)度調(diào)節(jié)旋鈕依次改變通電導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度(必要時(shí)微調(diào)電流調(diào)節(jié)旋鈕以保持電流強(qiáng)度基本不變)，記錄相應(yīng)的安培力和與其值對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度倍數(shù)值；通過(guò)數(shù)據(jù)分析(擬合曲線(xiàn))可以得出實(shí)驗(yàn)規(guī)律：“F∝L”；綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論找到垂直于磁場(chǎng)方向的通電導(dǎo)線(xiàn)所受安培力的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：F=BIL，其中B為比例常數(shù)。對(duì)各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算比例常數(shù))，雖然F，I，L有所不同，但在一定的誤差范圍內(nèi)比例常數(shù)均相同。

改變場(chǎng)源磁鐵組合(改變磁場(chǎng)強(qiáng)弱)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理會(huì)發(fā)現(xiàn)，安培力的實(shí)驗(yàn)規(guī)律依然成立，不同的是比例常數(shù)B發(fā)生了變化。

在一個(gè)恒定的磁場(chǎng)中，取不同的L，I值，測(cè)出對(duì)應(yīng)的F值，計(jì)算各次的比值，可看到比值B都相同。改變磁鐵組合，即改變線(xiàn)框所處的磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，再做上述各項(xiàng)測(cè)量，求出的比值B與前次實(shí)驗(yàn)不同。這樣就從探究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：比值B反映了磁場(chǎng)本身的屬性，從而建立起“磁感應(yīng)強(qiáng)度”這一概念。

3.延伸應(yīng)用

利用本實(shí)驗(yàn)器的同時(shí)調(diào)節(jié)電流和長(zhǎng)度可在教學(xué)中滲透“電流元”概念：在自制鉤碼支架上掛2個(gè)鉤碼，通電導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度選擇“1”；調(diào)節(jié)電流使天平平衡；再將長(zhǎng)度調(diào)節(jié)旋鈕置于“2”并改變電流強(qiáng)度使天平恢復(fù)平衡，此時(shí)電流強(qiáng)度的數(shù)值基本為前次平衡時(shí)的一半；亦可利用長(zhǎng)度減半電流加倍方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在一定的誤差范圍內(nèi)電流強(qiáng)度與通電導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度的乘積保持不變。

磁場(chǎng)的疊加：在用電子天平測(cè)量安培力的模式下，手持一塊磁鐵逐步靠近場(chǎng)源磁鐵的過(guò)程中電子天平的示數(shù)會(huì)不斷發(fā)生變化，說(shuō)明外加的磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)有影響。

磁感應(yīng)強(qiáng)度大小與研究點(diǎn)相對(duì)場(chǎng)源的位置有關(guān)：取下所有場(chǎng)源磁鐵后手持一塊磁鐵逐漸靠近線(xiàn)框的過(guò)程中，電子天平的示數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。

四、結(jié)束語(yǔ)

歷經(jīng)兩年多的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與制作改進(jìn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度探究實(shí)驗(yàn)器的應(yīng)用達(dá)到了我們的預(yù)期目標(biāo)，在使用中得到了多位任課教師和眾多學(xué)生的認(rèn)可和好評(píng)。我們希望大家通過(guò)本文了解該實(shí)驗(yàn)器，并提出寶貴的意見(jiàn)和建議，使它成為“磁感應(yīng)強(qiáng)度”概念教學(xué)的利器。