定量探究安培力的影響因素
——安培力多元化演示儀的設計制作

黃愛鳳 李桂旺

(江蘇省前黃高級中學,江蘇 常州 213161)

1 實驗背景

圖1

人教版物理選修3-1用如圖1所示的實驗裝置來研究安培力,銅棒移動的距離表示安培力的大小,用手推動磁鐵保持磁鐵和銅棒的相對位置不變的方法以達到磁場不變的目的．用銅皮卷成輕質(zhì)銅棒(因安培力太小,銅棒也應較輕),兩個固定的鐵架臺架一支橫梁(塑料管),用夾子夾長絲線懸掛銅棒．筆者認為這個實驗存在著以下幾點不足之處: (1) 不能直觀顯示安培力; (2) 勻強磁場的獲得方法操作起來難度大; (3) 很難定量探究安培力與磁感應強度的大小的關系; (4) 很難定量探究安培力與電流和磁場方向夾角的關系．

針對上述不足,我們設計了定量測量安培力的實驗裝置——安培力多元化演示儀．

2 安培力多元化演示儀的設計與制作

2.1 方案設計

(1) 本實驗裝置由兩部分電路組成如圖2所示:左邊的電路由亥姆霍茲線圈、開關、安培表、滑動變阻器、電源串聯(lián)而成．右邊的電路由線框、開關、安培表、滑動變阻器、電源串聯(lián)而成. (2) 亥姆霍茲線圈可以產(chǎn)生勻強磁場,磁感應強度的大小與線圈中的電流成正比,勵磁電流的大小可以通過滑動變阻器進行調(diào)節(jié),通過安培表讀出數(shù)值．

(3) 線框中電流的大小可以由滑動變阻器來調(diào)節(jié),其數(shù)值可以由安培表讀出.

(4) 磁場中通電導線的長度由5個矩形線框來改變,它們繞線匝數(shù)相同、高度相同,僅寬度不同．

圖2

(5) 通電導線與磁場夾角的改變可以通過旋轉(zhuǎn)線框來實現(xiàn)．

(6) 將線框的中下部放在磁場中,在線框的底部放一個臺秤,在線框通電前后對臺秤的壓力差就是線框所受安培力的大小．

2.2 實驗器材

根據(jù)該實驗方案,我們準備如圖3所示的器材:

圖3

亥姆霍茲線圈(報廢的洛倫茲力演示儀中可得)、臺秤、電源2個、滑動變阻器2只、安培表2只、開關2只、線框5個(長度不一樣,寬度和高度都是一樣)、漆包線若干、導線若干．

2.3 實驗探究過程及數(shù)據(jù)處理

(1) 保持勵磁電流和通電導線的有效長度不變,將導線與磁場垂直放置,探究安培力與通電電流的關系,數(shù)據(jù)記錄如表1所示．

表1

數(shù)據(jù)處理如圖4所示

圖4

結(jié)論:安培力與通電電流成正比.

(2) 保持通電電流和通電導線的有效長度不變,將導線與磁場垂直放置,探究安培力與磁感應強度(勵磁電流)的關系,數(shù)據(jù)記錄如表2所示．

表2

數(shù)據(jù)處理如圖5所示.

圖5

結(jié)論:安培力與磁感應強度成正比.

(3) 保持勵磁電流和通電電流不變,將導線與磁場垂直放置,探究安培力與通電導線的有效長度的關系,數(shù)據(jù)記錄如表3所示．

表3

數(shù)據(jù)處理如圖6所示

圖6

結(jié)論:安培力與通電直導線的有效長度成正比.

(4) 保持勵磁電流、通電電流和通電導線的有效長度不變,探究安培力與通電電流的關系探究安培力與磁場和通電直導線夾角的關系,數(shù)據(jù)記錄如表4所示．

表4

數(shù)據(jù)處理如圖7所示

圖7

結(jié)論:安培力與磁場和通電直導線夾角的正弦成正比.

(5) 實驗結(jié)論.

通過安培力多元化演示儀的精確測量,在誤差允許范圍內(nèi)我們可以得到F=BILsinθ這一關系.

(6) 誤差分析.

(1) 本次實驗采用的電子秤精度為0.01克,空氣流動也會影響示數(shù),所以讀數(shù)不是太穩(wěn)定,所以要盡量在安靜的環(huán)境中進行實驗.

(2) 手工繞制線圈,松緊不一致.

(3) 邊界磁場雖然很弱,但對線圈也有力的作用.

(4) 線圈發(fā)熱會改變電流的大小.

3 實驗反思

(1) 本次實驗通過電子秤的兩次示數(shù)差得到安培力大小,簡單明了地證實了安培力與磁場、電流、有效長度的關系,讓學生能夠解決疑惑,容易接受．

(2) 本次實驗器材可操作性比較強,可以作為課堂演示實驗,也可以進行學生分組實驗．

(3) 關于改變通電直導線的長度還可以按如圖8所示的方法來實現(xiàn),在繞制過程中每5匝線圈接出一個接線柱來實現(xiàn)改變通電導線有效長度(左圖是正面效果,右圖是反面效果)．

圖8

(4) 本實驗還可以在已知公式F=BIL的基礎上,測出安培力的大小、通電電流的大小、通電直導線的有效長度,算出勻強磁場的磁感應強度的大小．