全面定量探究影響通電導線受力的因素

任建方

(紹興魯迅中學，浙江 紹興 312000)

1 教材實驗的不足

圖1 教材實驗裝置圖

實驗選自人教版選修3-1《磁感應強度》一節“探究影響通電導線受力的因素”，實驗方案如圖1所示： 三塊相同的蹄形磁鐵并列放在桌上，可以認為磁極間的磁場是均勻的.將一根直導線水平懸掛在磁鐵的兩極間，導線的方向與磁感應強度的方向(由下向上)垂直.有電流通過時導線將擺動一個角度，通過擺動角度的大小可以比較導線受力的大小.分別接通“2、3”和“1、4”可以改變導線通電部分的長度.電流由外部電路控制.先保持導線通電部分的長度不變，改變電流的大小；然后保持電流不變，改變導線通電部分的長度.觀察兩個因素對導線受力的影響.該方案有以下三點不足之處：

1.1 不定量

實驗通過測量導體棒懸線的擺角間接求出導體棒受力的大小，但是由于導體棒通電后受力小，導致擺角太小，且很難維持平衡狀態，難以精確測量，無法完成定量的研究.

1.2 不全面

沒有探究導線與磁感應強度的夾角對受力的影響，因為實驗無法改變導線與磁感應強度的夾角，只能研究導線與磁感應強度相互垂直時的受力情況，導致學生在此后安培力的學習中往往忽略夾角這個影響因素.對安培力認識不夠全面.

實驗也沒有探究導線受力方向的影響因素，只局限于探究導線棒受力大小的影響因素，對導線受力方向的影響因素并未作研究，在后面安培力的教學中也只是直接給出“左手定則”的結論來判斷安培力的方向.

1.3 不合理

在沒有具體實驗數據支撐情況下，教材直接給出F=BIL的定量結論，這不符合物理學科以實驗事實為基礎的學科特點，也不符合學生的認知規律

2 改進實驗

2.1 實驗原理

實驗原理如圖2所示，通過赫姆霍茲線圈提供勻強磁場，利用電子秤測量多匝線框受到的安培力，具體改進如下.

圖2 改進實驗裝置圖

2.1.1 利用電子秤測量安培力的大小和方向

電子秤的精度是0.01 g，把力的測量精確到1×10-4N，可以較精確測量出導線受安培力的大小，而且電子秤帶有清零功能，可以在每次測量安培力之前清零從而消除導線(及線框)自身重力對實驗的影響.保證每次電子秤顯示的示數都是對應要測量的安培力.并且在清零以后，受到安培力向下電子秤示數為正，力向上示數為負，可以直觀的判斷出導線受安培力的方向

2.1.2 利用多匝線圈替代導體棒

由于實驗提供的磁場較弱，導線在磁場中的長度短所以安培力比較小，為了提高實驗的精確性，利用多匝線圈增加了導線在磁場中的長度，放大力的作用效果，從而減小相對誤差.并且可以通過改變線圈匝數實現改變導線在磁場中的有效長度的目的.

2.1.3 利用赫姆霍茲線圈提供勻強磁場

利用赫姆霍茲線圈提供勻強磁場，磁場均勻，范圍大.線圈可以整個放進磁場，在磁場中任意改變放置位置.從而可以探究通電導線受力與導線和磁感應強度方向的夾角的關系.

赫姆霍茲線圈也叫勵磁線圈，教材3-1第三章第六節涉及的“洛倫茲力演示儀”，正是利用此線圈提供勻強磁場，一般高中實驗室都有配備，我們可以就地取材，很容易就可以得到大范圍的勻強磁場.并且可以通過改變勵磁電流的方向從而改變磁場方向，方便研究導線受力方向的影響因素.

2.2 實驗步驟

2.2.1 探究通電導線受力與電流的關系

保持導線的長度不變( 接入電路的線圈為250匝) ，勵磁電流不變即勻強磁場恒定，導線與磁感應強度垂直，接通電路前先把電子秤調零，可以排除外力對測量的影響.接通電路后，利用滑動變阻器改變導線中的電流大小，觀察對應導線受力的大小，并記錄數據，如表1所示.

表1

圖3

2.2.2 探究通電導線受力與導線長度的關系

圖4 多匝線圈

保持電路中電流大小恒定(電流I=0.4 A)，勻強磁場恒定，導線與磁感應強度垂直，改變線框接入電路匝數即改變導線在磁場中的有效長度，如圖4所示(單匝線圈有效長度為0.10 m).每次接通電路前先把電子秤清零，可以保證通電后電子秤示數測量的只是代表安培力的大小.而且每次匝數改變后由于線框接入電路部分的電阻不同，需要調節滑動變阻器控制電路中的電流恒定，從而觀察對應導線受力的大小，并記錄數據如表2所示.

表2

圖5

2.2.3 探究通電導線受力與導線和磁感應強度方向的夾角的關系

保持導線的長度不變( 接入電路的線圈為 250 匝) ，電路中電流大小恒定(電流I=0.4 A)，勻強磁場大小不變，只改變導線與磁感應強度夾角，記錄對應力的大小如表3所示.

表3

2.2.4 探究通電導線受力方向的影響因素

通過改變勵磁線圈的電流方向，可以改變勻強磁場的方向，分別把順時針和逆時針勵磁電流對應磁場方向記作垂直線圈向里(×)和垂直線圈向外(·),電子稱顯示的正負記作安培力方向豎直向下(↓)和豎直向上(↑).磁場中導線電流的方向從左到右和從右到左分別記作向右(→)和向左(←)，分別只改變電流方向、磁場方向探究導線受力的方向，并把情況記錄如表4所示.

表4 探究通電導線受力方向數據

2.3 實驗結論

分別根據表1、表2、表3數據，利用Excel圖表功能，自動得到F-I，F-L，F-θ關系圖，如圖3、5、6所示，由圖可知F∝I，

F∝L，F∝sinθ，根據表4數據，可以得到導線受力方向符合左手定則.綜上所述可以得到全面的結論：通電導線在勻強磁場中受力大小F=kILsinθ(k為比例系數)，受力方向符合左手定則.

2.4 實驗優點

改進后實驗有如下幾個優點：

(1) 創新定量：通過自制實驗儀器，創新實驗方案可以定量探究導線受力大小的影響因素

(2) 測量精確：電子秤測量力的精度精確到10-4N；利用多匝線框替代導體棒放大力的作用效果，減小了相對誤差；利用勵磁線圈提供勻強磁場相比于馬蹄形磁鐵的磁場減小了由于邊緣效應引起的誤差

(3) 全面探究：全面探究導線受力大小和受力方向的影響因素，讓學生對通電導線在勻強磁場中受力的影響因素有全面的認識，也為此后學習安培力打下扎實的基礎.

(4) 簡便直觀：實驗原理簡單，器材簡單，容易獲取，并把成套儀器固定于木板上，方便搬運也便于學生分組實驗.實驗現象直觀，數據處理快捷，實驗結論明確.

3 結束語

我們在實驗教學過程中，首先一定要實事求是，用實驗數據說明規律，用實驗事實闡述真理，這也體現了物理學科以實驗為基礎的學科特點，同時培養學生實事求是的科學態度.其次要注重學生創新能力的培養，培養學生敢于質疑，勇于創新，善于反思，樂于挑戰的創新精神.最后還要努力培養學生的動手能力，教材中“探究影響通電導線受力的因素”的實驗定位于教師演示實驗，我們通過自制學具的形式，讓學生自己動手實驗，并且可以采用分組實驗的形式，讓學生自己總結歸納出實驗結論.這樣既培養了學生的團隊合作能力，又提高了課堂效率.