高精度探究磁感應(yīng)強(qiáng)度的教具制作

李 航

(貴州省凱里市第一中學(xué),貴州 凱里 556000)

1 課本中的演示儀器

圖1 演示儀器示意圖

課本中的演示實(shí)驗(yàn)如圖1所示,該實(shí)驗(yàn)包含馬蹄形磁鐵,電源與直導(dǎo)線,當(dāng)直導(dǎo)線通電后會(huì)受到安培力作用后會(huì)擺動(dòng)一個(gè)角度,以此來(lái)判斷安培力的大小和方向.

該實(shí)驗(yàn)在操作過(guò)程中存在的困難:(1) 通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受的力(安培力)的變化很小,傳統(tǒng)擺動(dòng)角度的方法很難進(jìn)行準(zhǔn)確的定量測(cè)量.(2) 無(wú)法實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流方向夾角對(duì)安培力影響的定量研究,即無(wú)法驗(yàn)證F=ILBsinθ.

2 自制高精度探究磁感應(yīng)強(qiáng)度的教具

制作的高精度探究磁感應(yīng)強(qiáng)度演示儀器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.其中由于電子秤托盤(pán)是金屬制品,所以把托盤(pán)替換成了木塊,木塊上在固定多匝線圈,方便電子秤測(cè)其受力．其電路圖中的電源來(lái)源于手機(jī)充電器部件改裝,體積小方便攜帶．

圖2 高精度探究磁感應(yīng)強(qiáng)度演示儀結(jié)構(gòu)圖

2.1 探究磁感應(yīng)強(qiáng)度定義式

(1) 探究安培力與電流大小之間的關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)操作:首先是保持匝數(shù)不變,之后接通電源打開(kāi)儀器開(kāi)關(guān),調(diào)零實(shí)驗(yàn)器材,然后在固定線圈匝數(shù)下調(diào)節(jié)變阻器,使得電路電流改變,記錄安培力大小與電流大小.表1是匝數(shù)為130匝時(shí)所記錄的安培力大小與電流大小的數(shù)據(jù)表,而圖3是數(shù)據(jù)表線性擬合得到的F-I圖像.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:總結(jié)出電流大小、安培力大小的成正相關(guān)關(guān)系,此處教師需要指導(dǎo)學(xué)生分析Excel表格中的數(shù)據(jù)與圖像,通過(guò)分析公式極小截距與過(guò)原點(diǎn)附近的擬合直線,在誤差范圍內(nèi)得出安培力大小與電流大小的正比關(guān)系,即F∝I.

表1 安培力F與電流I數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

(2) 探究安培力與線圈匝數(shù)(有效長(zhǎng)度)之間的關(guān)系.

匝數(shù)轉(zhuǎn)換旋鈕:通過(guò)旋鈕可調(diào)節(jié)多匝線圈通電匝數(shù),一共可以實(shí)現(xiàn)50、90、130、170有4種匝數(shù),以正方形線框單邊長(zhǎng)為L(zhǎng),則受力邊有效長(zhǎng)度分別是50L、90L、130L、170L.

實(shí)驗(yàn)操作:安培力由電子秤轉(zhuǎn)換成壓力精確測(cè)出.變阻器與恒壓電源能保證不同匝數(shù)時(shí)電流大小的一致性.接通電源,儀器調(diào)零,保持電流大小為0.18A,得出不同匝數(shù)下對(duì)應(yīng)的安培力大小,表2與圖4分別是得出的數(shù)據(jù)及其圖像.

表2 安培力F與導(dǎo)線長(zhǎng)nL數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖4 安培力F與導(dǎo)線長(zhǎng)nL數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:分析數(shù)據(jù)得安培力大小與有效長(zhǎng)度成正比,即F∝L.時(shí)間允許可以采取多次測(cè)量(5組數(shù)據(jù)以上)的方法,使得擬合圖像誤差更小.

(3) 規(guī)律與優(yōu)點(diǎn).

優(yōu)點(diǎn):由于實(shí)驗(yàn)電路圖就畫(huà)在了實(shí)驗(yàn)器材面板上,方便教師講解電路原理.勻強(qiáng)磁場(chǎng)是由兩塊矩形強(qiáng)磁鐵等間距放置近似形成,且已經(jīng)標(biāo)明了南北極,能明確磁場(chǎng)的方向.此實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單,電子秤所顯示的即是安培力F,且電子秤的精度是0.01g,電流表示數(shù)精度也是0.01A,這樣高精度的實(shí)驗(yàn)定量數(shù)據(jù)讓探究的過(guò)程可信度很高,加上數(shù)據(jù)并輸入到Excel表格生成圖像,這有利于學(xué)生培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)核心素養(yǎng)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題.

2.2 驗(yàn)證磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流方向之間的關(guān)系

(1) 推導(dǎo)公式F=ILBsinθ.

構(gòu)建模型:當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與導(dǎo)線方向成θ角度,我們可以把它分解為與導(dǎo)線垂直的分量B⊥和與導(dǎo)線平行的分量B∥.

推導(dǎo)過(guò)程:磁感應(yīng)強(qiáng)度分解,得到B⊥=Bsinθ與B∥=Bcosθ,其中B∥不產(chǎn)生安培力,導(dǎo)線所受到的只有B⊥作用下的安培力,因此得到F=ILBsinθ,這是一般情況下的安培力的表達(dá)式.[2]

(2) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:F=ILBsinθ.

圖5 改變角度結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)操作:打開(kāi)實(shí)驗(yàn)儀器電源,對(duì)電流與電子秤進(jìn)行調(diào)零,把指針調(diào)整到指針指向0度夾角未知,然后選擇一固定匝數(shù),調(diào)節(jié)變阻器確定一固定電流大小,然后記錄電子秤的示數(shù).隨后通過(guò)如圖5所示的角度轉(zhuǎn)盤(pán)改變磁場(chǎng)的方向,實(shí)現(xiàn)測(cè)量任意角度對(duì)應(yīng)的安培力大小,所觀察到的數(shù)據(jù)如表3所示(以130匝,電流大小為0.18 A得出的數(shù)據(jù)).

表3 數(shù)據(jù)F-θ記錄表

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:通過(guò)數(shù)據(jù)記錄表與Excel表生成的F與θ的圖像，可以發(fā)現(xiàn)安培力有從正值到負(fù)值的變化.將實(shí)驗(yàn)擬合圖像與理論正弦值圖像進(jìn)行對(duì)比,得到如圖6所示圖像,可以發(fā)現(xiàn)在誤差范圍內(nèi)兩組數(shù)據(jù)吻合得很好,從而可以驗(yàn)證F=ILBsinθ的正確性.

圖6 安培力F與角度θ數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

優(yōu)點(diǎn):角度轉(zhuǎn)盤(pán)上的磁鐵可任意旋轉(zhuǎn),指針可以指向任何角度方向,操作十分方便,現(xiàn)象直觀.此實(shí)驗(yàn)也可進(jìn)行安培力方向的探究,即左手定則的規(guī)律的使用.

3 實(shí)驗(yàn)評(píng)估

選修3-1第3章第2節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與第4節(jié)安培力大小的教學(xué)過(guò)程應(yīng)用了自制的高精度實(shí)驗(yàn)設(shè)備,與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比,該儀器主要優(yōu)勢(shì)是把課本中的定性與理論推導(dǎo)變成了可定量的數(shù)據(jù),這能大大地增強(qiáng)電磁學(xué)規(guī)律的可信度.

3.1 創(chuàng)新點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)儀器在教學(xué)中有5點(diǎn)創(chuàng)新.(1) 本實(shí)驗(yàn)自制多匝線圈,利用疊加原理得有效長(zhǎng)度,克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有效長(zhǎng)度變化不明顯的缺點(diǎn);(2) 電子秤巧妙測(cè)安培力,克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)安培力變化很小難以準(zhǔn)確定量測(cè)量的難點(diǎn);(3) 自制變阻器調(diào)節(jié)電阻精確快速,滿足電流大小的高精度控制,克服了傳統(tǒng)教學(xué)中滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)精度不夠與變阻箱通電不可調(diào)的困難;(4) 數(shù)字化表可視化強(qiáng),Excel圖像能夠很直觀發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律,這些定量做出的圖像能優(yōu)化數(shù)據(jù)使學(xué)生記憶深刻,[3]提升學(xué)生物理直覺(jué);(5) 自制儀器架方便教師展示攜帶,實(shí)驗(yàn)電路圖就畫(huà)在儀器上,方便解讀原理電路圖,儀器兩側(cè)合攏即可搬運(yùn),無(wú)需組裝,隨走隨用.

3.2 不足

在本課的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)儀器的主要缺陷是對(duì)平臺(tái)的水平要求較高,由于線圈本身的自感現(xiàn)象會(huì)使得儀器在斷通電時(shí)電流大小會(huì)有短暫波動(dòng),這些都會(huì)對(duì)讀數(shù)產(chǎn)生誤差.對(duì)于高精度的這個(gè)實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)原理上是無(wú)能為力.不過(guò)這可以在每組數(shù)據(jù)開(kāi)始前檢查調(diào)零,等數(shù)據(jù)穩(wěn)定了再記錄數(shù)據(jù),只是在課堂上這樣會(huì)稍加長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間.