簡易實驗裝置實現精確測定安培力與各變量關系

胡科杰 戎 杰

(浙江省慈溪中學 浙江 寧波 315300)

郭 拯

(浙江省慈溪市教研室 浙江 寧波 315300)

新課程標準注重從“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”4個維度培養學生的物理學科核心素養.“通電導線在磁場中受到的力——安培力”這節教學內容能全面地從4個維度培養學生的核心素養，然而教材中演示實驗效果的低效，嚴重影響了教學目標的實現.為此，能否直觀、精確、定量地探究安培力大小與各變量的關系，直接影響安培力教學重點和難點的解決，從而影響學生學科核心素養的培養.

1 研究背景與現狀

圖1是教材中演示安培力的實驗裝置圖，該裝置通過測量懸掛導線的擺角來定量研究安培力的大小，擺角越大安培力越大.通過調節滑動變阻器來改變電流大小，通過改變導線接線柱位置來改變放置在磁場中的導線長度，通過改變磁鐵個數來改變磁感應強度大小.實際研究發現，只能定性研究得到隨著電流的增大、接入導線長度的增加、磁鐵個數的增加都能使擺角變大，進而說明安培力的增大.

(a)

(b)

由于實驗設計存在問題和裝置靈敏度的原因，本裝置是無法實現精確、定量地探究安培力大小與各變量的關系，也無法測量電流與磁場有一定夾角θ時安培力與夾角θ的關系.

基于上述原因，許多物理教師做了很多實驗的改進設計，普遍采用的實驗裝置如圖2所示.

圖2 教師普遍采用的改進設計后的實驗裝置圖

利用力傳感器進行研究，非常成功地定量研究了安培力與各變量的關系.對此類實驗，有兩個特點：(1)實驗裝備要求較高，學校必須配備數字實驗設備.(2)對教師自身素養要求較高，需要教師熟練操作數字實驗系統.

2 改進后的實驗裝置

為解決數字實驗設備貴，難操作的問題，筆者借鑒幾位教師的構想，設計如圖3所示的實驗裝置，標有角度的白紙置于電子天平上，將多粒紐扣型強磁鐵(可網購)疊加后固定于紙上.線圈固定于鐵架臺上，置于磁鐵上方，線圈抽頭分別為100，200，400，800匝.電子秤先清零，實驗開始后，電子秤顯示線圈對磁鐵的作用力，反作用力即為線圈所受安培力.

圖3 筆者設計的實驗裝置

3 實驗探究

3.1 探究安培力F與電流I的關系

采用2個紐扣磁鐵疊加垂直線圈放置于電子秤上，線圈匝數100，即保持B，L，θ不變，調節滑動變阻器，增大電流，得到F∝I，如圖4所示.

圖4 F-I圖像

3.2 探究安培力F與導線長度L的關系

線圈匝數分別為100，200，400，800，線圈邊長0.07 m，即相當于接入導線長度分別為7 m，14 m，28 m，56 m.紐扣磁鐵取2個，電流I=0.16 A，即保持B，I，θ不變，得到F∝L，如圖5所示.

圖5 F-L圖像

3.3 探究安培力F與磁感應強度B的關系

取紐扣電池分別為2，4，6，8，10個，實驗前設想磁感應強度B可能均勻增大，保持I=1 A,L,θ不變時，設想實驗結果得到F∝B.實際實驗測得，F與磁鐵個數的比值逐漸減小，并非隨磁鐵個數的增加而均勻增加，猜想原因應該是線圈所在位置的B并未與磁鐵個數成正比，但由比值變化規律推測，在勻強磁場情況下，F應與B成正比.實驗結果如圖6所示.

圖6 F-B圖像

3.4 探究安培力F與電流磁場夾角θ的關系

旋轉磁鐵底座，改變電流與磁場夾角θ的大小，同時保持B，L，I不變，得到F隨θ角的變化情況.如圖7所示，圖線顯示為正弦，由此可以得到F安=ILBsinθ,同時發現當磁場反向時，力也改變方向.

圖7 F-θ圖像

4 裝置分析

(1)器材簡單易購，易組裝.

(2)通過改變電流大小、方向，研究安培力與電流關系，連接不同抽頭實現改變導線長度，研究安培力與長度的關系，操作簡單.

(3)通過改變紐扣型磁鐵個數，改變磁感應強度大小，研究安培力與磁感應強度的關系，操作直觀.

(4)通過旋轉磁鐵在電子秤上的角度，研究安培力與磁場電流夾角的關系，操作靈活.

(5)實驗結果精確可信，實現安培力的定量探究.

(6)唯一存在的問題，紐扣型強磁鐵形成非勻強磁場，有一定欠缺.