用拉桿天線自制安培力實驗裝置——自制教具展示作品文章之一

用拉桿天線自制安培力實驗裝置
——自制教具展示作品文章之一

范國峰

(秦皇島市第一中學河北 秦皇島066006)

收稿日期：(2015-01-23)

人教版高中《物理·選修3-1》第三章“磁感應強度”一節中，要探究影響通電導線受力的因素，可是用課本上的實驗裝置演示時只能定性，不能定量，特別是在操作過程中導線框會前后左右擺動，無法穩定觀察,給課堂教學帶來很大困難.經過認真分析, 筆者認為教材中的實驗存在如下不足：(1)直導線不能始終處在勻強磁場中，造成直導線受力發生周期性變化；(2)水平直導線與豎直導線采用4線軟連接，平衡不好調整；(3)蹄形磁鐵同種磁極并列放置從而同極相互排斥，造成磁鐵間不能相互平行.針對教材實驗的不足，筆者自制了如圖1所示的實驗裝置.用本裝置可以定量研究安培力與電流、通電直導線長度之間的關系.

1實驗裝置

實驗裝置示意圖如圖1所示，該裝置由6部分組成.

圖1　安培力實驗裝置示意圖

(1)木板.長50 cm,寬40 cm.

(2)支撐桿.支撐桿高80 cm，固定在木板的一端.

(3)有機玻璃板吊架.長18 cm,寬10 m,厚0.5 cm .采用斜拉橋的方式固定在支撐桿的中上部，距木板高度為65 cm .有機玻璃板要保持水平.

(4)U型擺.由長55 cm 的兩根拉桿天線與一段長15 cm的細銅管在尖端部焊接而成.兩根拉桿天線保持平行.拉桿天線與細銅管保持垂直.打磨拉桿天線的轉動軸，使其盡可能光滑.

(5)小平車.承載3塊蹄形磁鐵,可在木板上水平移動.小平車長18 cm,寬13 cm,高5 cm .

(6)刻度尺.刻度尺固定在支撐桿上，長度為10 cm.

2實驗原理

如圖2所示,設拉桿天線長為L，質量為m，重心距懸點長度為L1，當拉桿天線框受到安培力作用發生偏轉，偏轉角為θ時，直導線位移為x.

圖2

根據力矩平衡有

FLcosθ=mgL1sinθ

(1)

x=Lsinθ

(2)

由式(1)、(2)可得

(3)

當θ<5°時， cosθ≈1，得

(4)

(5)

則

式中κ為常量.

由此可見，在擺角很小的情況下F與x成正比.筆者所用拉桿天線的總質量m=50 g，L=55 cm.重心距懸點的長度L1=25 cm ，取g=9.8 m/s2，代入式(5)得κ=0.005 N/cm.因此如果知道水平直導線的位移，便可知道安培力的大小.

3使用方法

當進行課堂演示時，將蓄電池E,開關S,U型擺,滑動變阻器R0,電流表A依次串聯接入電路,如圖3所示.

圖3

閉合開關，調整滑動變阻器的阻值，使電流表有一穩定值.電流流過U型擺，U型擺在磁場中受到安培力的作用發生偏轉，同時移動小車使磁鐵與U型擺保持同步運動，蹄形磁鐵上的標線始終與U型擺水平直導線對齊，保證了通電直導線周圍磁場的恒定.當安培力與U型擺的重力達到力矩平衡時，U型擺靜止不動.利用固定在支撐桿上的刻度尺測量U型擺下端直導線的水平位移，可間接知道U型擺所受安培力的大小.

保證磁場不變，改變滑動變阻器的電阻值，從而改變電路中的電流，會發現隨著電流的改變，U型擺下端直導線的水平位移也會有所變化.由此實驗數據可得出安培力與電流成正比.

如果控制電流不變，在小車上并排放置2個或3個同極性的蹄形磁鐵(改變處在勻強磁場中的通電直導線的長度)，蹄形磁鐵用等距柵板隔離限位.會發現U型擺下端直導線的水平位移與蹄形磁鐵數量成正比.由此可得出安培力與處在勻強磁場中通電直導線長度成正比.

對磁場的分析：蹄形磁鐵并列放置時同種磁極間相互排斥對各自的磁場會產生怎樣的影響呢？筆者用磁感應強度傳感器對磁鐵磁場與距離的關系進行了實際測量.測量數據見表1.

表1　磁鐵磁場與距離關系測量數據

由此看出，當磁鐵距離達到2 cm遠后，磁感應強度已經衰減為原來的1%.同種磁極間的影響在誤差允許范圍內可忽略.

因此筆者在并列放置的蹄形磁鐵間設置了隔離柵板，柵板間隔2 cm.在柵板的隔離下，確保了磁鐵的平行,為通電直導線提供了一個穩定的磁場.

通過以上兩個控制變量法進行的定量實驗，可順利得出安培力與電流、直導線長度成正比的實驗結論.

4自制儀器特點

本自制教具可以直觀、定量地觀察安培力的大小，性能穩定，與教材中的實驗設計聯系緊密，有利于在課堂上為學生接受，課堂效果明顯.采用磁鐵跟蹤直導線運動的方法，保證了磁場的恒定，并且有效地降低了儀器重量，特別適合用于課堂教學.機械裝置簡單、容易理解、價格低廉、易制作、誤差小，便于推廣.

5實物圖

圖4為本自制教具的實物圖.