可旋轉勻強磁場實驗平臺的創新設計與開發

丁良峰

可旋轉勻強磁場實驗平臺的創新設計與開發

丁良峰

中學物理有關電磁場方面的實驗對于學生學習電磁學知識有著非常大的價值，但是現在常見的實驗器材存在一些缺陷和不足，尤其是可產生勻強磁場的實驗裝置。為解決這一問題，筆者作為一名技術教師，結合專業背景，對可旋轉勻強磁場實驗平臺進行了研究和技術創新，開發可旋轉勻強磁場實驗平臺，對師生進行科學實驗有著很大的幫助。

勻強磁場；可旋轉平臺；創新設計

一、問題的提出

探究安培力是高中物理學習電磁學的一個重要實驗。現有的安培力的演示器材(如圖1所示)，其演示效果并不理想，主要存在的問題是通電直導體沒有完全在U形磁鐵內部，磁場大小不一致，并且U形磁場產生的勻強磁場區域不是很大，大小、方向不能變化，同時通電導線的長度也不能變化。這很難讓學生對安培力的定量關系(F=BIL)有一個深刻的認識。同樣在其他的電磁實驗中也同樣存在著不能在一個較大空間的勻強磁場中進行實驗，這樣不利于培養學生的科學探究能力。

圖1

二、方案的設計與平臺的制作

1.理論依據

根據亥姆霍茲環形線圈(如果有一對相同的載流圓環形線圈彼此平行且共軸，通以同方向電流，當環形線圈間距等于環形線圈半徑時，兩個載流環形線圈的總磁場在軸的中點附近的較大范圍內是均勻的)在中間區域可以產生勻強磁場的特點制作而成。該結構主要特點是：空間開闊，使用方便；磁場與供電電流有很好的線性關系；使用磁場空間有很寬的均勻區。在實驗時，可以采用控制變量的方法進行，使原本中學階段只能靠講解或模糊實驗變得越來越清晰，使得在進行磁場方面的教學時，實驗現象更為科學、準確、嚴謹。

2.方案設計

根據中學物理電磁學部分實驗的需要，制定了實驗平臺的設計要求。

(1)可以產生較大空間的勻強磁場。

(2)磁場的大小可以通過改變線圈輸入電流的大小進行調節，實現線性關系。

(3)磁場的角度可以進行改變，實現360度旋轉。

(4)在該平臺中可以完成多個電磁學實驗。

結合設計要求進行了實驗裝置的設計，設計了兩個方案如圖2、圖3所示。

圖2　方案一

圖3　方案二

方案一和方案二都可以實現產生較大空間的勻強磁場，并且可以進行360度旋轉。但是在進行安培力實驗時，方案一中進行懸掛通電直導線會和線圈有交叉，兩者會相互干擾，方案二則可以避免這個問題，因此最終選擇方案二進行設計制作。

3.實驗裝置的制作

根據設計方案，選擇漆包線、亞克力板、木條、銅箔膠帶、接線柱、導線、銅管、螺栓、五夾板。使用的工具主要有激光雕刻機、塑料彎曲機、氣釘槍、繞線機、電鉆等工具進行加工其主要材料和加工工具如圖4、圖5所示。主要加工過程如圖6～圖11所示。

圖4　制作材料

圖5　加工工具

如圖6所示，使用激光雕刻機加工圓環，將加工好的材料用氣釘槍固定，并加502膠水進行加固，然后用直徑0.7 mm的漆包線進行繞線，每個線圈繞線為240圈。如圖7所示，使用激光雕刻機切割亞克力板，采用氯仿粘合劑粘結，制作裝置框架結構。

圖6

圖7

圖8　安裝水平調節旋鈕

圖9　安裝水平管

圖10　組裝

圖11　完成制作

4.實踐平臺的特點及創新之處

可旋轉勻強磁場實驗平臺是利用亥姆霍茲線圈可以在較大范圍內產生均勻的磁場為基礎，設計出一個可以較大范圍內的勻強磁場。其主要特點是結構簡單，磁場區域較大，并且無遮擋，便于進行實驗以及實驗現象的觀察；在中間的實驗平臺中，設置了導線的插孔，方便進行不同的實驗；兩個亥姆霍茲線圈可以進行360度旋轉，并且中間平臺也可以進行旋轉。

三、進行科學實驗　探究裝置設計的實用性

1.觀察線圈內外磁場部分布情況，驗證通電電流與產生磁場之間的線性關系

將小磁針分別擺放在線圈內部和線圈的正前方，觀察其通電前后小磁針的指向情況。可以很好地驗證右手螺旋定則，通電線圈的所產生的磁場方向為拇指方向。如圖12所示，未通電時，小磁針受地磁場的影響成左右(南北)方向排列。如圖13所示，通電后，小磁針主要受線圈產生的磁場力作用成前后方向排列。

圖12

圖13

為驗證磁場與供電電流有很好的線性關系，實驗過程中采用磁場傳感器，輸入電流從0.5 A，每次增加0.5 A，每次進行10 s采集數據，求得平均值，測得輸入電流與磁通量之間的關系，如表1和圖14所示。

表1

圖14

實驗數據表明，該裝置可以通過改變通電環形線圈中電流的大小實現調節磁場的強弱的目的，而且兩者大小之間有較好的線性關系。

2.定量進行探究安培力的大小影響因素，驗證安培力與B，I，L之間的關系

(1)裝置原理

圖15為實驗裝置圖。圖16為實驗原理圖，其中O為轉軸，mg 為線圈自身重力，H為轉軸到水平刻線距離，線圈在轉動時受到安培力力矩和重力力矩的作用，則轉動平衡時有：

從圖中的幾何關系可以看出：tanθ=x/H，x為θ的正切線長度；

故有：X=l2H/mgl1。

所以，x∝ F安，即為指針與水平刻線交點到0刻線的距離，則θ角正切線長度x與F安大小成正比。

圖15

圖16

(2)探究安培力的影響因素，驗證安培力與B，I，L之間的關系

在直導線線圈中電流I一定時，研究安培力F與B的關系。通電直導線電流I不變，改變磁場B的大小(通過改變環形線圈中電流的大小實現)，觀察導線的運動情況。此次實驗，通電直導線電流為0.3 A，環形線圈的通電電流按0.5 A遞增，從實驗可以明顯看出，環形線圈的通電電流越大，通電導線的偏轉角度越大。同樣采取控制變量的方式來研究安培力F與I以及L之間的關系。可以得出直導線線圈電流I越大，安培力F越大。導線的長度越長(通過改變線圈的匝數來實現，分別為50匝、100匝、150匝)，所受到的安培力F越大(如圖17所示)。

圖17

保持亥姆霍茲線圈的通電電流為4.5 A時，所測得不同直導線線圈匝數時的通電電流與偏轉距離之間的關系，因為x∝F安，從而可以得出安培力F安與直導線的通電電流、直導線的長度(即通過改變線圈的匝數來實現)之間的關系。

通過實驗，我們可以清晰的得出結論，B∝F安，I∝F安，L∝F安，所以F安=BIL。

3.旋轉磁場實驗平臺的其他應用

在電磁學的部分實驗中，重要的是要提供一個較大空間的勻強磁場空間，以方便實驗操作。該平臺的設計可以滿足很多實驗的需求，如陰極射線管在磁場中的偏轉，改變磁場的大小可以觀察偏轉幅度的大小；如改變磁場的方向，可以等效解決磁場疊加后電子束的運動情況。再如加上交變電流，可以演示電磁感應現象等。

四、創新實驗教具的價值及其意義

創新實驗教具的設計不是簡單的儀器設備的仿制，要經過一定的思考、創意、構思和設計，是一項創造性的活動。同時，在教具的設計制作過程中，必然要涉及科學知識、生產工藝和新材料、新技術、新方法的使用。開發研究自制教具有著重要意義，這不僅可以改善實驗教學的條件，而且對師生的實驗動手能力，創新意識等科技素質的提高有很好的促進作用。

創新實驗教具的設計，是教師針對教學過程中的重難點和不盡完善的實驗而設計制作的教具，為實現其針對性和科學性，教師必須經過較長的時期的教學經驗積累，產生對某一教具改進或創新設計，經歷設計、選材、組裝、實驗、改進、再實驗等一系列過程。教師在其制作及實驗的過程中，既提高了教學水平，豐富了教學經驗；又能增進學生對知識概念的理解，提高教學效果。同時教師的知識得到升華，能力得到檢驗，教師應有的素質得到培養和提高。

五、結束語

愛因斯坦說：“興趣是最好的老師”。中學生富有好奇心和求知欲，是創新的內在動力。教師進行了創新實驗教具的設計，勢必會激發學生對科技產生興趣。在遵循科學原則的基礎下，師生共同動手制作教具，既可鍛煉學生的實驗、動手能力，又可培養學生愛科學、學科學的習慣，還可以開闊學生眼界、活躍學生思維、培養學生創新精神和創新能力。

[1] 王志斌,王琳,余金龍.定量探究安培力的創新設計[J].教學儀器與實驗,2011(6):19-20.

[2] 徐忠岳.安培力定量演示裝置的改進[J].中小學實驗與裝備,2008(1):28-29.

[3] 吳億年,陳世謙,王雙維.安培力定量演示器設計與實驗研究[J].物理教師,2002(9):25-28.

丁良峰，本科，中教一級。江蘇省蘇州市西安交通大學蘇州附屬中學，215021