安培力探究式教學教具的制作

杜 倩 代 偉 蔣金華 彭鐘樊 鄒 勤

(西華師范大學物理與空間科學學院，四川 南充 637002)

教科版高中物理選修3-1中通過對“通電導體棒在磁場中受到力的作用”介紹了安培力方向、大小的相關知識.教材中提供了一個安培力演示儀,幫助學生理解安培力物理概念.但是該裝置在進行課堂教學過程中存在一些不足之處,如不能進行定量探究安培力大小與通電導體長度的關系.通過改進,設計制作了“安培力方向演示儀”、“安培力大小演示儀”,“安培力應用”自制教具.教具操作簡單,現象明顯直觀,實驗效果好,有利于學生掌握相關物理知識,有利于安培力探究式教學的進行.

1 教材中的安培力演示儀

教材中提供了用來判斷安培力方向以及探究安培力大小的實驗裝置(如圖1).該裝置是將直流電源與導體棒連接,在鐵架上放置一個蹄形磁鐵,當導體棒通電,通電導體在磁場中受到安培力后會運動,以此來判斷安培力的大小和方向.

圖1 安培力演示儀

該實驗儀器存在的不足: (1) 判斷安培力方向時,導體棒較重,當電流過小,磁場強度較弱時會導致實驗現象不明顯.(2) 探究安培力大小時,只能定性分析安培力與各因素之間的關系,無法定量探究.

2 自制安培力探究式教具

2.1 安培力方向演示儀

制作的安培力方向判斷演示儀的結構如圖2所示.

圖2 安培力方向演示儀

(1) 操作步驟:將銅絲與直流電源連接,銅絲下端栓一輕質兵乓球,打開電源開關,觀察豎直銅絲的偏轉方向,記錄實驗現象.保持電流方向不變,改變強力磁鐵的N、S極,觀察豎直銅絲上小球的偏轉方向;保持磁場方向不變,改變電流方向,觀察豎直銅絲上小球的偏轉方向.教師和學生一起共同分析通電導體在磁場中所受到的安培力方向與電流、磁場方向之間的關系,最后師生總結得出安培力方向的判斷法則——左手定則.

(2) 優點:裝置制作簡單,小球偏轉方向明顯,可用于學生分組實驗,進行安培力方向探究效果好,將教具設計成豎直放置有利于教學中學生觀察.

2.2 安培力大小演示儀

(1) 實驗裝置.

安培力大小定量探究實驗裝置如圖3所示.裝置由直流電源,高精度電子秤,蹄形磁鐵,塑料蹄形磁鐵支撐架,金屬導體棒等組成.需要特別說明的是對于蹄形磁鐵來說由于磁性較弱為了增大磁感應強度B,在每個蹄形磁鐵內部的一側均放置一小塊強力磁鐵[如圖4(a)];電子秤的秤盤是由金屬導磁材料制成,在進行安培力實驗測量時磁鐵對秤盤會產生磁力作用,磁力對通電導體所受安培力的測量具有一定的影響,為此,把電子秤的秤盤的導磁金屬裝置改換成非金屬裝置[如圖4(b)],電子天平秤測出的數據單位是g,要換算成N,使安培力測量研究能夠更加的嚴謹和科學.

圖3 安培力大小演示儀

圖4

(2) 操作步驟.

在探究安培力F與各因素之間的關系時,用導線連接金屬棒和直流穩壓電源,電子天平秤按“去皮校準”,打開電源,觀察各示數變化,實驗現象記錄.保持B、I不變,改變通電導體有效長度L,觀察測量天平秤上的示數,依次增加蹄形磁鐵個數改變通電導體有效長度L,將測量數據記錄于表中;保持B、L不變,改變電流I的大小重復上次操作4次,將測量數據分別記錄于表中;保持I、L不變,通過改變強力磁鐵片的個數改變B,B的大小由磁傳感器測量,觀察天平秤上的示數,將測量數據記錄于表中.

將記錄在表格的數據轉換成直線圖進行定量分析,讓學生仔細觀察關系曲線,師生共同探討總結得出F與I、L之間的大小關系,最后推導出F=BIL的數學表達式.

(3) 優點.

F的大小通過電子天平秤的示數轉換得出,B、L、I也可以直接來調節,原理簡單,易操作,現象明顯直觀,實驗教具定量地探究得出的數據使得學生心服口服,有助于師生分析探究影響安培力大小與那些因素有關,有利于幫助學生利用所學知識解決實際問題.

3 安培力的應用自制教具

安培力應用自制教具是用紙喇叭播放音樂.用紙喇叭播放音樂的裝置如圖5所示,將手機播放的音頻信號經音頻信號放大器放大后接入紙喇叭就能聽到動聽的音樂,改變磁鐵離喇叭的遠近,改變信號的大小,改變紙喇叭上盤繞的漆包線的長短,紙喇叭的聲音大小也隨之改變.因為紙喇叭發聲是紙片受到安培力這個策動力作用引起紙片振動而發聲,F與B、L、I有關,所以改變磁鐵離喇叭的遠近(改變B),改變信號的大小(改變I),改變紙喇叭上盤繞的漆包線的長短(改變L),紙喇叭的聲音大小也隨之改變.這個教具制作的關鍵是紙喇叭的制作,其制作方法如圖6所示.將一張打

圖5 紙喇叭播放音樂的實驗裝置

圖6 紙喇叭的制作

印有喇叭圖案的A4紙貼滿雙面膠,然后用0.21 mm的漆包線均勻盤繞在雙面膠上,漆包線的兩頭焊上銅片,最后用一張較軟的宣紙蓋住并與雙面膠粘為一體紙喇叭就制作完成了.紙片也能唱歌、放音樂.將這一自制教具用于安培力探究式課堂教學能大大激發學生的好奇心、求知欲,加深他們對安培力F的大小與B、L、I之間關系的理解,使之記憶深刻,鞏固所學知識,為安培力的應用打下堅實基礎.

1 冷文秀,張默,賀艷麗,鐘壽仙.安培力演示儀的設計與制作[J].物理與工程,2016,10(15):37-38.

2 汪維澄.安培力定量演示儀的設計與實驗教學[J].湘南中學物理,2004,51:1-4.

3 張慧敏.用物理天平“秤”出安培力[J].物理教師，2009(30)：17-18.