運用phyphox程序的通電螺線管定量探究實驗

潘軍良

(浙江省慈溪市周巷中學,浙江寧波 315300)

信息技術正在改變學校的教育文化,改變教師的教學方式.新的普通高中物理課程標準對于信息技術與物理教學的融合提出了建議:物理教學要積極利用已有數字媒體,主動開發適合教學的信息產品,拓寬物理學習的途徑,促進物理教學改革.另一方面,物理實驗是學生探索物理規律、培養創新能力的重要途徑.新課標倡導教師利用身邊物品改進或開發新實驗,提倡利用數字實驗系統克服傳統實驗測量精度及效率不高的缺點,鼓勵學生在課外以獨立或小組合作方式,開展實驗研究.為此,筆者自制螺線管,借助智能手機的phyphox程序設計了定量測量磁感應強度的實驗,幫助學生加深對電生磁的理解,親歷動手做實驗的過程,更好地培養科學探究等核心素養.

1 實驗原理

phyphox程序是基于智能手機所含有的傳感器而創建的輔助物理實驗工具箱,其中的磁力傳感器可精確測定手機傳感器所處位置的磁感應強度,且磁力計可以分別單獨測量x、y、z3個軸向的磁感應強度,在設法排除地磁場干擾后,能夠精確地測出通電螺線管周圍空間某點的磁感應強度,如圖1所示.

圖1

同一通電螺線管周圍的磁場強弱分布與空間位置有關.不同通電螺線管的磁性強弱主要與通過的電流大小、線圈的大小、匝數和有無鐵芯有關.實驗時用控制變量法對上述4個因素進行探究.為了進行定量對比,均選取了螺線管軸線上與線圈等距離的點進行測量.

2 實驗準備

用同種漆包線繞絕緣材料自制螺線管,且繞向一致,與邊緣距離相同,分別為螺線管Ⅰ(直徑16 mm、長110 mm、250匝)、螺線管Ⅱ(直徑16 mm、長110 mm、500匝)、螺線管Ⅲ(直徑32 mm、長110 mm、250匝)、螺線管Ⅳ(直徑86 mm、長110 mm、250匝),如圖2所示.

圖2

用覆有白紙的厚度不一的書本做底座,在其上標記好手機及螺線管的軸心位置.

3 實驗步驟與數據記錄

(1)打開手機中phyphox程序的磁力計,調整手機及書本位置,進行y軸磁感應強度的校零,并固定位置保持不變.

(2)將學生電源、電流表、滑動變阻器、開關按照如圖3所示依次串聯,并使這些儀器盡量遠離手機.

圖3

(3)探究通電螺線管磁場強弱與通過的電流強度、匝數及線圈直徑的關系.

①將螺線管Ⅰ單獨連入電路,使螺線管軸心位置與手機的軸心位置對齊.調節輸入電壓和滑動變阻器,使通過螺線管的電流分別為0.50 A、0.75 A、1.00 A、1.25 A、1.50 A,記錄對應的圖像和磁感應強度,如圖4和表1所示.

表1 250匝、16 mm螺線管Ⅰ實驗數據

圖4

②將螺線管Ⅱ單獨連入電路,重復實驗步驟(1)的操作,記錄對應的圖像和磁感應強度,如圖5和表2所示.

表2 500匝、16 mm螺線管Ⅱ實驗數據

圖5

③將螺線管Ⅲ單獨連入電路,重復實驗步驟(1)的操作,記錄對應的圖像和磁感應強度,如圖6和表3所示.

表3 250匝、32 mm螺線管Ⅲ實驗數據

圖6

④將螺線管Ⅳ單獨連入電路,重復實驗步驟(1)的操作,記錄對應的圖像和磁感應強度,如圖7和表4所示(因導線電阻較大,測量電流可從0.25 A開始).

表4 250匝、86 mm螺線管Ⅳ實驗數據

圖7

(4)探究通電螺線管磁感應強度與鐵芯的關系.

①將螺線管Ⅰ連入電路,使螺線管軸心位置與手機的軸心位置對齊(如圖8).調節滑動變阻器,使通過螺線管的電流分別為0.50 A和1.00 A,記錄有無鐵芯時對應的圖像和磁感應強度,如圖9和表5所示.

表5 250匝、16 mm螺線管Ⅰ鐵芯實驗數據

圖8

圖9

②將螺線管Ⅱ連入電路,使螺線管軸心位置與手機的軸心位置對齊.調節滑動變阻器,使通過螺線管的電流分別為0.50 A和1.00 A,記錄有無鐵芯時對應的圖像和磁感應強度,如圖10和表6所示.

表6 500匝、16 mm螺線管Ⅱ鐵芯實驗數據

圖10

4 數據處理與分析

(1)在計算機上,以磁感應強度為縱坐標,以電流強度為橫坐標,利用實驗步驟(3)中所得到的4組實驗數據,描繪出B-I圖像(如圖11所示).

圖11

(2)數據分析.我們先從理論上來分析通電螺線管內部的磁感應強度與哪些因素有關.如圖12所示,當密繞的螺線管中的電流強度為I時,其中心軸線上某一位置P點的磁感應強度可表示為B=μ0nI(cosβ2-cosβ1),其中μ0為真空磁導率,n為螺線管單位長度上的匝數,β1、β2分別為P點到螺線管兩端矢徑與y軸的夾角.當螺線管無限長時,β1=π,β2=0,則B=μ0nI.

從圖11中可以發現,4組實驗數據都能連成一條傾斜的直線,表明通電螺線管的磁感應強度與通過的電流成正比,實驗結果與理論基本一致.

利用螺線管Ⅰ、Ⅱ做實驗的兩組數據相比較可知,通電螺線管內的磁感應強度與其單位長度上的線圈匝數n成正比,符合理論上的預期.

利用螺線管Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ做實驗的3組數據相比較可知,僅線圈直徑不一樣的螺線管進行通電實驗時,螺線管中的磁感應強度與線圈直徑的平方近似成正比.

再分別對實驗步驟(3)(4)所得的數據進行分析研究,可得到如圖13所示兩張圖表.

圖13

在給通電螺線管插入了鐵芯后,磁感應強度會明顯增強,增幅高達6倍左右.實驗中用到的鐵芯長80 mm、直徑11 mm,兩個螺線管均為長110 mm、直徑16 mm,僅匝數不同.

5 反思與總結

用手機phyphox程序中的磁力計定量檢測通電螺線管的磁場,且先對y軸的磁場進行校零,排除了地磁場的干擾,可精確地測出螺線管的磁感應強度.通電螺線管的磁場分布與空間位置有關,實驗數據的采集都在同一軸心位置處,實驗中固定了手機擺放位置,標注出了螺線管的軸心位置,提高了實驗的準確度.實驗中還應注意,若線圈通電時間過長、電流過大,會引起線圈電阻的變化,因此每次測量后應立即斷開開關,且測量時間不宜過長.實驗時應用全木桌子,遠離了金屬物品,且電流表、滑動變阻器等也應盡量遠離手機,排除干擾,減小誤差.

不同手機中磁場傳感器的具體位置不同,這樣也會在測量中造成一定的誤差.繞制的螺線管規格種類不夠多,鐵芯也只有一個,不能通過更多組的實驗得出更全面的結論,留待學生進行改進探索.

總之,運用phyphox程序來探究影響通電螺線管磁性強弱的因素,豐富了學生開展課題研究的內容,把探究活動引向多樣化.利用智能手機等日常物品做實驗具有方便、直觀、準確等特點,開發的相關實驗成本低、質量高,能夠激發學生研究的興趣.學生經歷本實驗的探究不僅能掌握了解通電螺線管的磁場特點,更重要的是能夠培養設計方案、收集數據、分析數據、得出結論等實驗能力,使學生在知識獲得與能力培養方面處于一種動態平衡、良性循環的狀態.