微小安培力演示儀的設計與制作

摘要：安培力是中學物理教學中的重要內容，在課堂教學中廣泛使用安培力演示儀來演示安培力，并驗證左手定則.但現有的安培力演示儀原理不易理解、操作不太方便，測得的安培力是多匝線圈上總的安培力.本文介紹一種安培力演示儀，主要通過測量單根銅棒上微小的安培力來驗證左手定則，以及驗證安培力的定量關系 該演示儀器可以測量微弱安培力，而且原理簡單、成本低廉、演示效果好.

關鍵詞：微小安培力；演示儀；設計與制作

作者簡介：黃佳麗（1989-），女，浙江蘭溪人，學士學位，中學二級教師，從事物理學科教學.

如圖1所示，傳統的安培力演示儀能演示安培力的左手定則，還能定量地驗證安培力公式.但是在使用過程中有如下幾個問題：一是定量驗證時，指針偏轉的角度正比于安培力的大小，在原理上不易解釋；二是該裝置只能演示多匝線圈上受到的安培力的合力，與教材中單根通電導線上的安培力不符.三是操作不方便.為了解決上述問題，筆者通過傳統的桿秤方式，利用力矩平衡的原理，稱量出微小安培力，以達到教學目的.

1儀器結構及原理

圖2為儀器的簡易原理圖（為了圖片的簡潔，省略了若干導線），圖3為實物圖.本實驗是利用類似于桿秤的方法，通過力矩平衡，將單根導線上微小的安培力放大測得.由電源、導線、磁鐵、導體棒、滑動變阻器、電流表、雙刀雙擲開關等組成閉合回路.其中導體棒處在水平方向的磁場中，當導體棒通電后，會受到豎直方向的安培力.移動“秤砣”，將此時的安培力“稱量”出來.

演示前先將秤砣移動至中間零刻度的位置，然后調節裝置右邊的螺帽，使裝置平衡.閉合開關，回路通電，處于磁場中的單根銅棒將受到安培力的作用.移動秤砣，使裝置平衡，讀出此時秤砣所在的刻度.

2儀器的演示方法

21驗證左手定則

在第一次測量的基礎上，轉動雙刀雙擲開關，改變導體上電流的方向，反向移動秤砣再次調節平衡，可以發現兩次實驗刻度值是相等的，證明安培力的方向與電流的方向有關；轉動磁場180°（圖4），改變磁感應強度的方向，同理可證明安培力的方向與磁感應強度的方向有關.從而驗證安培力的左手定則.

22定量分析安培力的大小

控制導體棒的長度L、磁感應強度B不變，改變電流I的大小，測得秤砣上對應的刻度，可以證明F安證比于I.

控制磁感應強度B、電流I不變，改變導體棒上的長度，測得秤砣上對應的刻度，可以證明F安正比于L （改變導體棒的長度是利用如圖5所示的裝置，但只有兩個長度，如果多做幾個控制質量相同，是可以實現測量多組數據的）.

控制磁感應強度B、電流I、導體棒長度L不變，轉動磁場，使得導體棒與磁場之間有一定的夾角，夾角可以直接從轉盤上獲得.通過查閱數學工具，得到對應夾角的余弦值cosθ ，即可證明F安∞cosθ

3儀器的細節處理

為了便于探究影響安培力方向和大小的因素，從細節方面做了如下改進：（1）在指針上裝了一個重物，使裝置能較快穩定（圖6）；（2）為了調節平衡，在桿秤的右端安裝多個螺帽（圖7）；（3）利用雙刀雙擲開關， 改變金屬棒上的電流方向； （4）為了提高靈敏度，將刀口用銼刀銼尖（圖8）.

4小結

本實驗裝置具有靈敏度高的優點.表1為一組實驗數據.控制磁感應強度B、導體棒的長度L不變，改變電流的大小.

由表1可以發現，在誤差允許的范圍內，實驗能夠證明F安正比于I.而且通過傳感器測得B=18×10-3T，L=013m，將導體棒垂直放置于磁場中，即使安培力非常微弱也可以明顯顯示變化.該儀器不僅可以用于安培定律演示，還可以用于左手定則驗證，而且原理簡單.此裝置的原理類似于利用桿秤稱量物體的質量，便于學生理解，成本低.本裝置的所有材料均源自廢舊物品，通過改造組成.