簡(jiǎn)易安培力演示儀的制作與應(yīng)用

馬少軍

(甘肅省臨洮縣第二中學(xué)，甘肅 臨洮 730500)

1 設(shè)計(jì)背景

安培力的教學(xué)是普通高中物理選修3-1中的重要內(nèi)容,教材要求通過實(shí)驗(yàn)探究認(rèn)識(shí)安培力,得出影響安培力大小的因素．在實(shí)際教學(xué)中由于實(shí)驗(yàn)器材的制約,只能進(jìn)行基于問題猜想的粗略定性探究,對(duì)影響安培力大小的因素還沒有一個(gè)簡(jiǎn)易有效的定量驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)器材,鑒于此,我們借鑒了電流天平原理,利用現(xiàn)有的常用實(shí)驗(yàn)器材和材料制作了這套簡(jiǎn)易安培力演示儀,它既可定性驗(yàn)證或探究影響安培力大小的因素,也可在誤差容許的范圍內(nèi)能夠較精確的測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的大?。?/p>

該演示儀的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,一體化程度高．實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、靈活、快捷,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀、清晰、穩(wěn)定,數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)便,實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)反應(yīng)靈敏,實(shí)驗(yàn)結(jié)果成功率高,實(shí)驗(yàn)結(jié)論嚴(yán)密準(zhǔn)確．

2 簡(jiǎn)易安培力演示儀結(jié)構(gòu)及電原理圖

2.1 結(jié)構(gòu)圖

2.2 電原理圖

3 科學(xué)方法和制作原理

如圖3所示,在矩形線圈通電前杠桿處于調(diào)平狀態(tài)后

圖3

M配gL配+m游gl游0=M磁gL磁.

(1)

線圈通電后磁鐵受到向下的安培力作用,僅通過將游碼調(diào)節(jié)到l游位置,使杠桿二次平衡,此時(shí)

M配gL配+m游gl游=M磁gL磁+F安L磁.

(2)

將(1)、(2)式聯(lián)立求解得

(3)

若令Δl=l游-l游0,則F安∝Δl.可見,如果用該裝置探究影響安培力大小的因素,只需測(cè)量出矩形線圈通電前后游碼力臂的變化量Δl即可．如果某物理量的變化與游碼力臂的變化量Δl成線性關(guān)系,則此物理量與安培力成正比．例如在探究影響安培力大小的因素時(shí),若矩形線圈中的電流I增大,Δl增大;磁鐵的磁性B增強(qiáng),Δl增大;磁場(chǎng)中通電導(dǎo)線L加長(zhǎng)(蹄形磁鐵的寬度增大),Δl增大,則I、B、L與F安成正比,即

F安=BIL.

(4)

另外,由(3)、(4)聯(lián)立求得

(5)

可見只要測(cè)出游碼質(zhì)量m游、線圈中的電流I、蹄形磁鐵的寬度L、磁鐵的力臂L磁以及游碼力臂的變化量Δl(矩形線圈通電前后杠桿兩次調(diào)平時(shí)游碼力臂的差值),用該裝置就能夠完全測(cè)量出磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大?。?/p>

4 制作材料

65 cm×120 cm木工板1塊,5 cm×2 cm×70 cm木條3條,1.2 cm×1 cm蹄形磁鐵3塊, J0401演示電流表(0～2.5 A)1個(gè),J1202-2學(xué)生電源1個(gè), 54 cm×2 cm×0.4 cm 帶刻度木尺1條,10 g鋁制游標(biāo)1個(gè),砝碼1組,滑動(dòng)變阻器1個(gè),接線柱1對(duì),液泡水平儀1支,導(dǎo)線若干．

5 制作方法

(1) 如圖1所示,制作帶平衡支架的木箱．

圖1 簡(jiǎn)易安培力演示儀

(2) 將演示電流表.學(xué)生電源如圖1固定在木箱內(nèi)．

(3) 如圖4將帶有液泡水平儀的平衡杠桿安裝在平衡支架上．

圖4

(4) 如圖5在平衡杠桿相應(yīng)位置固定磁鐵,將線圈安裝在木箱支架的凹槽中固定．

圖5

(5) 按圖2所示的電原理圖連接各部件電路,平衡杠桿先調(diào)平后再通電調(diào)試．

圖2 電原理圖

(6) 二次調(diào)平后試驗(yàn)儀安裝調(diào)試完成．

6 實(shí)驗(yàn)操作步驟

6.1 研究電流對(duì)安培力的影響

(1) 將演示儀置于水平桌面,按圖示組裝好儀器．

(2) 調(diào)節(jié)配重砝碼和游碼,使杠桿平衡,記錄游碼所在處的力臂長(zhǎng)度l0．

(3) 給矩形線圈通電．

(4) 調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值,使電流表示數(shù)為I．

(5) 移動(dòng)游碼使杠桿二次平衡．記錄游碼所在處的力臂長(zhǎng)度l．

(6) 改變電流值,重復(fù)第(4)、(5)步．

6.2 研究磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)安培力的影響

(1) 將演示儀置于水平桌面,按圖示組裝好儀器．

(2) 調(diào)節(jié)配重砝碼和游碼,使杠桿平衡,記錄游碼所在處的力臂長(zhǎng)度l0．

(3) 給矩形線圈通電．

(4) 調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值,使電流表示數(shù)為I．

(5) 移動(dòng)游碼使杠桿二次平衡,記錄游碼所在處的力臂長(zhǎng)度l．

(6) 改變充磁機(jī)的充磁電流,對(duì)同一蹄形磁鐵重新充磁,改變磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度后,重復(fù)第(5)步．

6.3 研究通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度對(duì)安培力的影響

(1) 將演示儀置于水平桌面,按圖示組裝好儀器．

(2) 調(diào)節(jié)配重砝碼和游碼,使杠桿平衡,記錄游碼所在處的力臂長(zhǎng)度l0．

(3) 給矩形線圈通電．

(4) 調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值,使電流表示數(shù)為I．

(5) 移動(dòng)游碼使杠桿二次平衡,記錄游碼所在處的力臂長(zhǎng)度l．

(6) 依次改換單個(gè)或2個(gè)、3個(gè)并排放置的同型號(hào)蹄形磁鐵組以改變磁場(chǎng)中單匝通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度L0(L0是蹄形磁鐵(組)的寬度,磁場(chǎng)中通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度L=NL0),重復(fù)第(2)步至第(5)步．

7 簡(jiǎn)易安培力演示儀實(shí)驗(yàn)舉例

7.1 探究矩形線圈中電流的變化對(duì)安培力大小的影響．

(1) 按照“研究電流對(duì)安培力的影響”的實(shí)驗(yàn)操作步驟完成5次測(cè)量．

(2) 記錄數(shù)據(jù).

矩形線圈未通電,將平衡杠桿調(diào)平后l游0=3.31 cm．調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器改變電流大小得到表1數(shù)據(jù)．

表1

利用表1數(shù)據(jù)作出添加趨勢(shì)線的ΔL-I圖像如圖6所示.

圖6

從以上數(shù)據(jù)及圖像可見,I∝Δl,又由于F安∝Δl,所以得出F安∝I,即矩形線圈中通過的電流強(qiáng)度的大小與其在磁場(chǎng)中所受的安培力成正比．

7.2 磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量

表2

用簡(jiǎn)易安培力演示儀多次測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的平均值為0.254 mT,與用朗威DISLab的磁傳感器精確測(cè)得的數(shù)值0.26 mT相比(圖7),兩者的誤差僅為5%左右．所以,簡(jiǎn)易安培力演示儀在實(shí)際應(yīng)用中的效果證明,該儀器能夠完全滿足普通中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中定性驗(yàn)證、探究影響安培力大小的因素和在沒有高精度磁傳感器設(shè)備的情況下較精確的測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的需要．

圖7 DISLab測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度