用自制實(shí)驗(yàn)裝置全面探究安培力

陸娟芳

(余姚市夢(mèng)麟中學(xué)　浙江 寧波　315400)

徐文華

(余姚市第四中學(xué)　浙江 寧波　315400)

汪永根

(余姚市夢(mèng)麟中學(xué)　浙江 寧波　315400)

“通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力”是人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理·選修3-1》中的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，能夠利用自制實(shí)驗(yàn)儀器全面探究安培力對(duì)于本節(jié)課教學(xué)有著關(guān)鍵作用.

教材提出的主要方法是：用3種演示器引入.前兩種演示器只是定性地探究安培力與電流、磁場(chǎng)的關(guān)系；第3種利用教學(xué)儀器天平.前兩種方法僅限于簡(jiǎn)單地引入課題，最后一種裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能直接觀察，實(shí)驗(yàn)效果欠佳.為了克服以上弊端，我們自制了能夠巧妙稱量安培力的實(shí)驗(yàn)裝置.

1　實(shí)驗(yàn)裝置的原理

利用絕緣支架將通電直導(dǎo)線水平固定，然后將支架放置在數(shù)字天平托盤上．用矩形強(qiáng)磁鐵組成勻強(qiáng)磁場(chǎng)，把通電直導(dǎo)線置于該磁場(chǎng)中，有電流通過(guò)時(shí)導(dǎo)線受到豎直方向的磁場(chǎng)力，從而改變了托盤受到的壓力．

在通電流前，先將天平清零，則天平的示數(shù)就可以直接記作通電導(dǎo)線受到的安培力.當(dāng)改變導(dǎo)線中電流、改變通電導(dǎo)線長(zhǎng)度、改變磁場(chǎng)強(qiáng)弱、改變導(dǎo)線與磁場(chǎng)之間的夾角時(shí)候都能相應(yīng)測(cè)量出導(dǎo)線受到的安培力，采用控制變量法就可以探究影響安培力的因素了．

2　實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，用直徑3 mm銅導(dǎo)線作為通電直導(dǎo)線，兩端與直流電源相連，電路中連接電流表以顯示電流，串聯(lián)電位器進(jìn)行改變電流.用塑料支架將銅線水平放置于數(shù)字天平上．左右兩側(cè)放置強(qiáng)磁鐵，使銅導(dǎo)線位于中央磁場(chǎng)中，左邊的磁鐵固定，右邊磁鐵可以利用伸縮架進(jìn)行遠(yuǎn)近調(diào)節(jié).以上元件通過(guò)加工后固定底座上組成一個(gè)探究安培力的實(shí)驗(yàn)裝置.各部分組件的名稱詳見(jiàn)圖1下方的標(biāo)注．

圖1　自制實(shí)驗(yàn)裝置

3　實(shí)驗(yàn)裝置的各部分功能簡(jiǎn)介

(1)銅導(dǎo)線.選用直徑3 mm，長(zhǎng)12 cm的銅制導(dǎo)線，用作本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象.

(2)數(shù)字天平.直接讀出通電導(dǎo)線受到的安培力.

(3)磁鐵.采用15 cm×10 cm矩形磁鐵，導(dǎo)線處于中央磁場(chǎng)中.

(4)伸縮架.通過(guò)手搖輪帶動(dòng)伸縮架長(zhǎng)短變化，以此改變磁鐵與導(dǎo)線間的距離，從而改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B.

(5)導(dǎo)線轉(zhuǎn)換器.改變通電導(dǎo)線長(zhǎng)度.

(6)數(shù)字電表.與導(dǎo)線串聯(lián)，可以讀出導(dǎo)線中的電流.

(7)固定底座.將各部分元件組合為一個(gè)整體裝置.

4　實(shí)際教學(xué)的探究過(guò)程

4.1　實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

(1) 將本實(shí)驗(yàn)裝置放在水平桌面上，旋轉(zhuǎn)平衡螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)水平.

(2)把銅導(dǎo)線支架放置在數(shù)字天平的托盤上，將導(dǎo)線接入電路，電位器調(diào)至最大電阻.

(3)打開(kāi)數(shù)字天平開(kāi)關(guān)，利用清零按鈕對(duì)初始重量進(jìn)行清零.

(4)接通電源開(kāi)關(guān)，為銅導(dǎo)線接入電流.

4.2　實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)記錄

(1)保持磁場(chǎng)B和導(dǎo)線L=12 cm不變，調(diào)節(jié)電位器改變電流I.(表1)

表1　保持磁場(chǎng)和導(dǎo)線不變，改變電流

結(jié)論1：在誤差允許范圍內(nèi)，B和L一定時(shí)，F(xiàn)⊥∝I．

(2)保持磁場(chǎng)B和電流I=0.5 A不變，調(diào)節(jié)導(dǎo)線轉(zhuǎn)換器改變通電導(dǎo)線長(zhǎng)度L.(表2)

表2　保持磁場(chǎng)和電流不變，調(diào)節(jié)通電導(dǎo)線長(zhǎng)度

結(jié)論2：在誤差允許范圍內(nèi)，B和I一定時(shí)，F(xiàn)⊥∝L．

(3)保持電流I=1.0 A和導(dǎo)線L=12 cm不變，用伸縮架調(diào)節(jié)磁鐵的遠(yuǎn)近改變磁場(chǎng)B.(表3)

表3　保持電流和導(dǎo)線長(zhǎng)度不變，改變磁場(chǎng)強(qiáng)度

結(jié)論3：在誤差允許范圍內(nèi)，I和L一定時(shí)，F(xiàn)⊥∝B．

(4)保持磁場(chǎng)B,電流I=1.0 A和導(dǎo)線L=12 cm不變，改變磁場(chǎng)方向與導(dǎo)線間夾角Φ.(表4)

表4　保持電流和導(dǎo)線長(zhǎng)度不變，改變磁場(chǎng)方向

結(jié)論4： 在誤差允許范圍內(nèi)，B,I,L一定時(shí)，有F∝sinΦ．

4.3　分析數(shù)據(jù)和總結(jié)結(jié)論

結(jié)論：在誤差允許范圍內(nèi)， 通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的安培力正比于B,I,L,sinΦ，即

F=BILsinΦ．

5　實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)

(1)該實(shí)驗(yàn)儀器完全自制，貼近學(xué)生生活，能獲得極佳實(shí)驗(yàn)效果.

(2)基本解決了傳統(tǒng)方法探究安培力存在的缺陷，優(yōu)于其他實(shí)驗(yàn)儀器.

(3)本教具巧妙利用數(shù)字天平將安培力的大小稱量出來(lái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀.

總之，用我們自制的實(shí)驗(yàn)裝置探究安培力，取得了較好的教學(xué)效果.