“探究磁場對通電導線的作用

楊鑫

摘 要：探究安培力的方向時，通過實驗得到電流方向、磁場方向不同組合時，對應的安培力方向，經歸納、總結、頓悟得到左手定則，再用控制變量法在專用裝置上探究安培力的大小與I、L、B三個因素之間的關系。

關鍵詞：高中物理；實驗教學；教學設計；安培力；真實體驗

中圖分類號：G633.7 文獻標志碼：A 文章編號：1008-3561（2018）29-0063-01

一、前言

師：同學們，在學習今天的內容之前，請大家先看屏幕上的圖片（PPT），這就是今天要學習的內容，磁場對通電導線的作用力——安培力。法國物理學家安培在1820年發現并研究了這種力，今天我們一起追尋科學家的足跡來研究安培力。

二、新課

師：研究一個力，先要研究它的方向和大小。首先我們來研究安培力的方向，實驗是研究物理問題最直接有效方法，請同學們看研究安培力方向的自制實驗裝置。

師：這是磁體N極，這是S極。磁場方向豎直向下，內側導軌接電源正極，外側接負極，導體棒的電流由內向外，我們觀察到安培力的方向向右（PPT）。保持電流方向不變，改變磁場向上，安培力向左（PPT）。保持磁場方向不變，調換正負極改變電流方向，安培力的方向又如何？——安培力向右（PPT）。通過這三次實驗我們發現：電流方向、磁場方向、安培力方向分處于三維空間。當年安培創造性地用左手四指方向表示電流方向、穿過左掌面法線方向表示磁場方向，發現大拇指正好指向安培力方向。由此，他總結出了左手定則（PPT比畫動作讀一遍）。（意圖：在實驗中發現，在情境中歸納。）

師：以上探究了安培力的方向，下面再來探究安培力的大小。安培力的大小可能和哪些因素有關？根據前面的電動機模型，引導學生猜想安培力的大小可能的影響因素：a.電流的大?。↖），b.通電導體的長度（L），c.磁場的強弱有關（B）。師：這三個因素和安培力的大小有什么關系呢？同學們可以用實驗的方法來探究。

三、借助實驗，定性定量研究影響安培力大小的因素

學生分組實驗，定性探究影響安培力大小的因素。之后，教師可告訴學生：大家探究安培力的大小與三者的關系，但只是定性的關系，這樣的結論不夠滿意，還要進一步探究安培力的大小與三者之間的定量關系。為此，我們可對儀器進行升級改造，請看屏幕上PPT 對比圖，我們用勵磁線圈代替磁極，用中間抽頭的矩形線框代替金屬導體，原理圖是這樣的（PPT原理圖）。然后教師進行演示實驗，定量研究影響安培力大小的因素。

（1）勵磁部分：由一對正對矩形勵磁線圈與電路部分組成，通過調節勵磁電流的大小就能調節磁感應強度B的大小，由畢奧薩伐爾定律可知磁感應強度大小與勵磁電流I2大小成正比，就可以用勵磁電流來表示磁場磁感應強度的大小。我們采用實驗室自備的矩形赫姆霍茲線圈產生豎直方向勻強磁場，磁場空間：長20cm，寬18cm，高10cm。

（2）安培力測量指示部分：在工作線圈略高于重心處裝上轉軸，安裝在微軸承上，在線圈內側豎直邊上裝上較長指針（約30cm）。原理如下：勵磁線圈通入勵磁電流產生磁場，改變勵磁電流的大小可以改變磁感應強度的大小。根據理論可知：磁感應強度的大小與電流大小成正比。因此，可用勵磁電流的大小表示磁場的大小。

工作線圈采用中間抽頭的技術，（PPT）當接0～200兩根接線柱時，每匝導線在磁場中的有效長度為20厘米，因此接入的通電導線有效長度共計為40米；接200～600，為400匝，共計為80米；接0～600，為600匝，為120米；接200～1000，800匝，160米；0～1000，1000匝，200米。

安培力的大小由指針在橫向直線的刻度來表示。在這里用右邊的電流表輸入勵磁電流，左邊的輸入導體電流（分別將牌子放上）。再次采用控制變量的方法來探究B、L一定，F與I的關系。先觀察以下數據，再看得到的圖像，由此可以得到：安培力的大小與電流大小成正比，即F安∝I。

綜上所述，安培力的大小與磁感應強度B、導線長度L和電流I三者大小都成正比，即F ∝BIL =kBIL。與牛頓第二定律的探究一樣，規律的表達需要簡潔美，在國際單位制中，可取k=1，則表達式為： F=BIL。安培力的教學是高中階段的一個難點，教材教參上沒有出現將安培力與磁場的關系通過實驗的形式展示出來的情況。本課程設計解決了這個難題，不僅有利于學生更為全面地認識結論產生的過程，更有利于向學生展示動手動腦解決問題的態度，進行有效的情感態度價值觀的教育。

參考文獻：

[1]朱健.《磁場對通電導線的作用——安培力》教學設計[J].物理教學探討，2015（06）.

[2]陳八路.淺談高中物理實驗教學[J].數理化解題研究，2017（18）.