自制安培力探究?jī)x制作及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差反思

劉安巍

(重慶第三十中學(xué),重慶 400010)

依據(jù)F=BILsinθ,通過自制安培力探究?jī)x試圖簡(jiǎn)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)程、提高教學(xué)質(zhì)量,最終儀器測(cè)得F關(guān)于B、F關(guān)于I、F關(guān)于L的數(shù)據(jù)近乎完美,但F關(guān)于θ角的數(shù)據(jù)卻誤差較大,通過深入實(shí)驗(yàn)探究、反復(fù)琢磨發(fā)現(xiàn),用當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)思路去探究F關(guān)于θ角的關(guān)系存在不可避免的系統(tǒng)誤差．

1 自制安培力探究?jī)x原理

通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)當(dāng)中會(huì)受到力的作用,其大小為F=BILsinθ．

2 自制安培力探究?jī)x零部件

漆包線矩形線圈、滑動(dòng)變阻器、學(xué)生電源、學(xué)生電流表、電子秤(精度0.01 g)、釹鐵硼強(qiáng)磁、滑軌、角度盤、開關(guān)、導(dǎo)線、二極管、電池、指針、木板、刻度尺．

3 自制安培力探究?jī)x組裝介紹

圖1 探究?jī)x成品

安培力探究?jī)x組裝成品如圖1所示．儀器分為兩大部分,如圖2所示為磁鐵活動(dòng)框架部件;如圖3所示為核心轉(zhuǎn)軸部件．磁鐵活動(dòng)框架部件主要用于固定強(qiáng)磁鐵,并在滑軌兩側(cè)分別裝有刻度尺,用于精準(zhǔn)控制磁鐵的間距,框架底部有電子秤卡槽,右側(cè)有操作開關(guān)控制平臺(tái),用于安裝電壓表、電流表、線圈匝數(shù)控制開關(guān)等,核心轉(zhuǎn)軸為核心部件用于鑲嵌固定線圈,頂端設(shè)有刻度盤．制作時(shí)先完成磁鐵活動(dòng)框架,在依據(jù)框架尺寸制作轉(zhuǎn)軸部件,部件制作完成后排布線路、安裝測(cè)量?jī)x表和控制開關(guān)等．

圖2 自制安培力探究?jī)x外部框架

圖3 自制安培力探究?jī)x中心轉(zhuǎn)軸

4 實(shí)驗(yàn)探究過程

(1) 對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量有兩種方法,一種是直接用磁強(qiáng)傳感器,另一種用測(cè)得的已知量計(jì)算得出,日常教學(xué)中為提高學(xué)生探究能力可用實(shí)驗(yàn)探究得出．例如表1為磁間距為6×10-2m時(shí)測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度,多測(cè)幾組數(shù)據(jù)取平均值．

表1 磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量數(shù)據(jù)

將表1得出的5組數(shù)據(jù)求平均值,得出磁間距為6×10-2m時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度為9.2×10-3T．

(2) 控制B、I、θ不變,探究安培力F和有效長(zhǎng)度L的關(guān)系,如表2所示．

表2 探究安培力F和有效長(zhǎng)度L的關(guān)系

(3) 控制B、L、θ不變,探究安培力F和電流I的關(guān)系,如表3所示．

表3 探究安培力F和電流I的關(guān)系

(4) 控制I、L、θ不變,探究安培力F和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系,如表4所示．為方便讀數(shù)記錄磁感應(yīng)強(qiáng)度變化用磁間距d表示．

表4 探究安培力F和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系

(5) 控制B、I、L不變,探究安培力F和電磁θ角的關(guān)系,如表5所示．

表5 探究安培力F和電磁θ角的關(guān)系

(6) 測(cè)量數(shù)據(jù)探討,詳細(xì)如表6所示．

表6 各探究關(guān)系誤差范圍及平均值對(duì)比

5 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1) 電子秤讀數(shù)前一定要先清零,俗稱除皮．

(2) 讀取的數(shù)據(jù)需換算成國際單位,如電子秤讀出的數(shù)據(jù)單位為g,需換成N．

(3) 測(cè)量時(shí)要弄清楚電流方向,若線圈受到的安培力向上,則電子秤示數(shù)為負(fù)值,若安培力向下,則為正值．

6 系統(tǒng)誤差反思

6.1 通電線圈自身具有磁場(chǎng)

圖4 線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)

6.2 強(qiáng)磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)并非標(biāo)準(zhǔn)勻強(qiáng)磁場(chǎng)

用釹鐵硼強(qiáng)磁制造的磁場(chǎng)并非標(biāo)準(zhǔn)的勻強(qiáng)磁場(chǎng),而是由兩塊方體強(qiáng)磁N、S面相對(duì)產(chǎn)生的．每一塊磁鐵的6個(gè)面均有3對(duì)磁極,這會(huì)使得裝置周圍分布有不可控制的“亂磁”,這些因素是產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的又一重要因素．