定量探究安培力實驗的改進

鄭宇晴,王佳偉，張軼炳

(寧夏大學 物理與電子電氣工程學院，寧夏 銀川 750021)

人教版高中物理(選修3-1)“磁感應強度”中給出關于通電導線受力影響因素的演示實驗.通過觀察導線擺動的角度判斷其受力，通過改變電流大小及通電導線的長度探究通電導線受力與導線長度及電流大小的關系；隨后直接給出通電導線在磁場受力的公式[1].然而，這種定性的實驗效果并不明顯，學生只能粗略得出結論；公式定量關系的直接給出也容易導致學生出現邏輯跳躍，缺乏說服力.為使實驗效果更明顯，對實驗進行了改進[2-5]，改進的實驗利用天平稱出通電導線在磁場中所受安培力，通過控制變量法定量分析安培力影響因素.

1 實驗改進裝置

改進后實驗裝置如圖1所示，可分為磁場部分、安培力秤量部分及電流調節部分.

圖1 改進裝置

1) 磁場部分：成對50.8 mm×25.4 mm×12.7 mm銣鐵硼強力長方體磁鋼吸附自制U型鐵槽.銣鐵硼強磁鐵具有強磁性，N極和S極相對吸附U型鐵槽兩側，可產生勻強磁場.實驗疊加多對磁鐵可改變磁感應強度大小.磁鋼磁性強，且屬易碎品，相互吸附不易取開，因此實驗中在磁鋼上包裹軟紙纏繞上膠帶.

2)安培力稱量部分：采用高精確度、抗干擾電子天平，精確度達0.01 g，具有校準、置零、正負讀數等功能.通過稱出的豎直施加秤盤上彈力對應的質量反映出通電導線所受安培力大小.

3)電流調節部分：UTP3313TEL(0～3 A,0～30 V)型可調直流穩壓電源供電，結合滑動變阻器改變電流大小.可調直流穩壓電源帶有4個旋鈕，可“粗調”、“細調”電路中的電壓(量程范圍為0～30 V)、電流值(量程范圍為0～3 A).其數字顯示屏可自測并顯示電路電流大小，更方便電壓及所通過電流值的讀出.

4)其他實驗儀器：滑動變阻器(50 Ω，1.5 A)，鐵架臺，金屬銅棒，若干導線.

2 實驗改進原理

天平是測量質量的儀器，因此并不能直接秤出安培力.但可將導線受到的安培力轉換為對天平的彈力，從而測量安培力變化對應的質量數值.

3 實驗定量探究

U型鐵槽吸附1對強磁鐵(勻強磁場環境)，置于電子天平托盤并“置零”處理(使示數直接顯示通電后的安培力大小).

3.1 探究影響安培力大小的因素

1)實驗1：探究安培力大小與電流大小的關系.

電源接通，調節電源電壓及滑動變阻器，改變電流大小，記錄相關數據如表1所示，利用Excel描繪安培力大小與電流大小關系如圖2所示.

實驗中磁場由1對強磁鐵提供，磁場與導線方向始終垂直，置磁場中的導線長度為5 cm.

表1 “探究安培力大小與電流大小關系”實測數據

圖2 探究安培力大小與電流大小關系

實驗結論:在磁感應強度與磁場中導線長度一定時(磁場與導線方向垂直)，由擬合方程可知，其截距較小，在誤差允許范圍內，可以忽略不計，故可以認為導線所受安培力與電流大小成正比.

2)實驗2：探究安培力大小與磁感應強度大小的關系.

在鐵槽兩側依次疊加吸附1～3對實驗磁鋼進行3組實驗.天平“置零”后接通電源，記錄相關數據，如表2所示,利用Excel繪制圖像關系如圖3所示.

實驗中磁場與導線方向始終垂直,置于磁場中的導線長度為5 cm.

表2 “探究安培力大小與磁感應強度大小關系”實測數據

圖3 安培力與磁感應強度大小關系圖像

縱向分析發現，在電流一定時，磁感應強度越大，對應安培力越大.由此可得到在電流及磁場中導線長度一定時,安培力與磁感應強度大小正相關.

3)實驗3：探究安培力大小與磁場中導線長度的關系.

換用較寬的U型鐵槽做實驗，在鐵槽對側吸附3對強磁鐵.設通電導線長度為L，磁場寬度為dB.

a.當L>dB時，用長銅棒(長銅棒長度>U型鐵槽長度)進行實驗，如圖4所示.在電流恒為1.2 A時，轉動銅棒至不同角度(不要接觸到U型鐵槽以免影響測量)，記錄示數.

實驗結論：銅棒可轉動范圍(電流恒為1.2 A)內，天平示數變化很小，浮動在0.49～0.51 g間.

b.當L

圖4 當長銅棒長度>U型鐵槽長度時，電子秤的示數

(a)電子秤示數

(b)對應刻度圓圖樣

連接儀器，將銅絲水平部分懸空置于秤盤刻度0°～180°線豎直上方，U型鐵槽放于秤盤，調整鐵槽使磁場與導線方向夾角依次為0°,10°,20°,30°，…，180°，記錄的實驗數據見表3.利用Excel繪制圖像關系如圖6～7所示.

磁場由3對強磁鐵提供，細銅線下端導線長度為5 cm，電流恒為1.2 A.

表3 探究安培力與磁場及導線方向夾角的關系

圖6 安培力F與夾角θ的關系

圖7 安培力與的sin θ關系

當L

只有垂直磁場方向的通電導線長度對安培力大小有影響.轉動銅棒(L>dB)，其垂直磁場方向的導線長度不變，天平所測安培力大小幾乎為定值.當L

實驗結論:電流及磁感應強度一定時，由擬合方程可知，其截距較小，在誤差允許范圍內，可忽略，故可認為安培力與垂直磁場方向的導線長度Lsinθ成正比關系.

3.2 探究影響安培力方向的因素

1)實驗4：探究安培力方向與電流方向關系.

改變電流方向，“置零”后接通電源，記錄不同電流值時天平示數，實驗1記錄對比，見表4，利用Excel繪制相應對比圖像關系如圖8所示.

表4 “探究安培力方向與電流方向關系”實測數據

圖8 正負向電流對安培力方向的影響

兩直線基本關于橫軸對稱.說明電流方向轉換后，安培力大小不變，只有方向發生變化.安培力方向與電流方向有關.

2)實驗5：探究安培力方向與磁場方向的關系.

在實驗4基礎上，對換U型鐵槽前后方向(改變磁場方向)，“置零”后接通電源，記錄不同電流值時天平示數，并與實驗4數據對比記錄，見表5，利用Excel繪制相應對比圖像關系見圖9.

兩直線基本關于橫軸對稱.說明磁場方向對換后，安培力大小幾乎不變，只有方向發生變化.安培力方向與磁場方向有關.

表5 “探究安培力方向與磁場方向關系”實測數據

圖9 正負向磁場方向對安培力方向的影響

4 結束語

采用天平稱量安培力，使定性觀察轉換為定量探究安培力影響因素，與教材相比，實驗內容全面、準確且具有說服力，本設計存在幾點待改進之處：探究安培力與磁感應強度大小關系時，由于缺乏測量磁感應強度大小的儀器，無法確定多塊磁鐵疊加所產生的磁感應強度數值，故此結論沒有直接給出兩者正比關系，而是表述為成正相關.探究安培力與磁場及導線方向夾角關系時，轉動角度不夠精確，導致曲線擬合效果一般，仍需改進.本實驗中需要額外注意，所用強磁鐵具有較強磁性，在使用時要帶好防護手套，以免夾傷雙手.磁鐵屬于易碎物品，注意輕拿輕放，放置在避開鐵制品的場所.