安培力分析儀的設計

駱換昌

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安培力分析儀的設計

駱換昌

摘 要：探究安培力是高中物理教學中的一個重要實驗。課程標準要求學生通過實驗認識安培力，學會判斷安培力的方向并計算勻強磁場中安培力的大小。但現有實驗器材只能演示通電直導線在磁場中的受力情況，而無法展現安培力的定量關系。為此，利用現代傳感器技術、myDAQ數據采集器、Labview編程軟件設計了一套實驗器材，用于探究安培力的大小變化的規律。

關鍵詞：安培力；高中物理教學；實驗設計

一、背景

中學階段用來演示安培力的器材主要采用J2447型安培力演示器。它可以演示通電直導線在磁場中的受力情況，讓學生掌握安培力產生的原理。但不足的是，J2447型安培力演示器無法從定量的角度演示安培力與電流、導線長度、磁場的關系。

為了測量安培力與電流、導向長度、磁場3個物理量的關系，有些教師設計新的實驗方案，通過PASCO、朗威等數據采集器測量安培力。但是，這些力傳感器的特點是測量范圍大、分辨率比較低，而物理實驗時測量的安培力變化比較小，采用力傳感器測量的安培力數據變化不明顯，影響實驗的演示效果。

針對以上儀器的不足，筆者設計了一款安培力探究實驗儀，用于測量安培力的實驗探究。

二、設計原理

安培力的大小與磁場、導線長度、電流有關，因此，設計的器材需要測量4個物理量。在本設計中，筆者用電流表測量電流，用尺測量導線的長度。但磁場和安培力的大小，很難用常規的器材測量。因此，筆者采用現代的傳感器技術測量這兩個物理量，先將力傳感器、磁傳感器的信號進行放大處理，再運用程序控制myDAQ數據采集器采集放大后的信號，最后用計算機完成數據處理。

三、實驗器材的設計

1.力傳感器電路設計

實驗時測量的安培力是一個比較小的數值，而中學實驗室所用的彈簧秤精度比較低，很難保證實驗數據的準確。因此，我們要借助現代電子技術，設計一個量程小、分辨率高的力傳感器，電路圖如圖1所示。

圖1 力傳感器電路圖

電路原理：設計力傳感器電路的儀器為1 kg的電阻應變式壓力傳感器、AD623、LM358。電路設計步驟如下：（1）電路應用5 V直流電供電，將應變橋的信號輸入到AD623進行放大處理；（2）調節AD623 1， 8腳之間的外接電阻RG，把放大器的放大倍數調到100；（3）利用LM358給AD623提供參考電壓，通過調整R8的大小調節提供給AD623的參考電壓。

2.磁傳感器電路的設計

磁傳感器電路圖如圖2所示。

圖2 磁傳感器電路圖

電路原理：設計磁傳感器電路的主要儀器為霍爾元件、AD620。本電路將兩個霍爾元件背靠背使用，在忽略兩者厚度的情況下，分別得到同一個磁場的正負值。對這組數據進行四則運算，就可以得到部分消除系統誤差的平均值（詳細可以參考普通電磁學實驗的線圈軸線磁場測量里面更換電源極性和霍爾激勵電壓極性里面的誤差討論）。

霍爾元件將磁場強度轉換為弱電信號，輸出一般為幾毫伏的電壓，需對其進行放大。這里采用AD620儀器放大器，通過改變1，8引腳之間跨接的電阻調整放大倍數。

3.磁場的設計

分析安培力，需要探究安培力與磁場的關系。為了方便地改變磁場大小，筆者專門設計電磁鐵，用于產生磁場，電磁鐵結構圖如圖3所示。

圖3 電磁鐵結構圖

四、編寫軟件

在編寫計算機程序的環節，筆者采用NI公司開發的一種基于圖形化編程語言的開發環境LabVIEW。同時，采用NI公司的myDAQ 作為數據采集中心。NI myDAQ包括200 kS/s和16位的兩個模擬輸入及輸出，能為電路提供+5 V，+15 V，-15 V的電源。

具體操作步驟：（1）在Labview環境下編程，運用myDAQ的兩路模擬輸入端對力傳感器與磁傳感器進行數據采集；（2）對采集后的數據分析處理，計算出所要測量的數值。

1.程序結構

根據本程序的設計需要，程序設計采用多任務框架，一共使用3個獨立的循環，分別用于處理GUI事件、數據采集、數據處理。主程序圖如圖4所示。

圖4 主程序圖

（1）使用隊列傳遞各種控制指令

程序創建隊列，用于GUI循環、數據采集循環、數據處理循環之間傳遞控制命令，它使用由字符串和變體構成的簇作為數據類型。隊列數據中的字符串作為控制命令，使用“Section：：Instruction”作為指令格式。其中Section 部分用于指令要選擇的程序塊所屬邏輯分類，Instruction 指出該類中的相應模塊。例如，“DAQ：：Start”指令就是希望程序執行“數據采集”程序部分的“開始”模塊。

（2）GUI事件

程序放置事件結構來收集來自用戶界面的各種請求。當某個用戶事件發生后，將對應的命令置入隊列中等待程序處理。例如，當用戶單擊“Start”按鈕，可以將請求采集數據的指令“DAQ：：Start”置入隊列，以命令數據采集循環進行數據采集。

（3）使用選擇結構的各分支響應各種命令請求

GUI循環生產各種指令并置入隊列，數據采集循環或數據處理循環不斷從該隊列中逐個取出數據，并對數據進行解析，再按照指令字符串來選擇循環中對應的分支執行。例如，從隊列中取出的簇中，指令字符串值為“DAQ：：Start”，則選擇結構中的對應分支開始執行，以完成數據采集。

2.采集數據程序

本設計的核心是數據采集程序。Labview包含對myDAQ進行操作的函數，只要調用這些函數并進行適當的參數設計，就可以進行數據采集。操作步驟為：（1）調用DAQmx創建虛擬通道；（2）設置采樣時鐘；（3）調用DAQmx開始任務；（4）DAQmx讀取；（5）讀完數據，停止DAQmx，釋放資源。具體程序如圖5所示。

圖5 采集數據程序圖

五、系統測試

實驗器材：J1209高中教學電源、myDAQ、力傳感器、磁場強度傳感器、自制線圈、滑動變阻器、電流表、自制勻強磁場。

（1）當磁感應強度B與線圈工作電流I一定時，探究安培力F與線圈長度l的關系。保持線圈電流I=1.5 A，通過連接不同匝數的線圈，從而改變通電線圈在磁場中的有效長度。測得安培力的數值見表1。

表1

（2）當磁感應強度B與線圈長度l 一定時，探究安培力F與線圈工作電流I的關系。保持接入電路中的線圈長度為3l ，通過改變滑動變阻器的阻值改變通電線圈的工作電流。測得數值見表2。

表2

（3）當線圈工作電流I與線圈長度l一定時，探究安培力F與磁感應強度B的關系。線圈電流保持不變、接入電路中的線圈長度保持為3l ，通過調節電磁鐵的勵磁電流來改變磁感應的強度。所測數值如表3所示。

表3

（4）實驗結果：通過以上3組數據，我們可以觀察到安培力的大小（F）與電流強度（I）、線圈的長度（l ）、磁感應強度（B）基本成正比關系。

六、結束語

在現有中學物理教材中，教師可以演示通電直導線在磁場中的受力情況，讓學生理解安培力的方向和產生原理，但沒辦法準確測量其大小。這使得學生無法對安培力與電流、導線長度、磁場的定量關系（F =BIL ）有深刻的認識。

而筆者設計的安培力定量分析儀，填補了中學物理實驗中探究安培力實驗器材的空白。通過這套實驗器材，老師既能直接演示安培力與3個物理量的關系，讓學生對此有感性的認識，同時還可以通過數據的定量分析進一步驗證安培力與這3個物理量的關系。

參考文獻

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作者信息

駱換昌，本科，實驗師。廣東廣雅中學，540160