利用 Phyphox 軟件研究通電螺線管周圍的磁感應強度

秦格格 韓斯佩 彭小牛 吳維寧

［摘 要］利用智能手機內置的傳感器和Phyphox軟件，在物理課堂中開展創(chuàng)新演示實驗，研究通電螺線管周圍的磁感應強度與哪些因素有關及其定量關系，在開闊學生眼界的同時培養(yǎng)學生的科學探究素養(yǎng)。

［關鍵詞］Phyphox軟件；通電螺線管；磁感應強度

［中圖分類號］ ? ?G633.7 ? ? ? ?［文獻標識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2024）02-0053-03

在人教版高中物理必修第三冊第十三章第一節(jié)“磁場 磁感線”的微課實踐教學中，筆者受到啟發(fā)：要感知磁場的存在，除了可以通過觀察磁鐵的相互作用過程、小磁針的偏轉、磁粉的分布等，還可以利用德國亞琛工業(yè)大學開發(fā)的一款免費的物理實驗軟件Phyphox中的磁傳感器功能。通過Phyphox軟件中的數值或圖像可直觀顯示磁感應強度的大小和方向［1］。

在“磁場 磁感線”一節(jié)的教學中，教師應結合學生已在初中掌握相關基本概念的情況，著重加深學生對通電螺線管周圍的磁場的認識，促進學生深入學習“磁感應強度”這個定量描述磁場強弱的物理量。為了進一步研究通電螺線管周圍的磁感應強度分布及其影響因素，激發(fā)學生的探究熱情，培養(yǎng)學生的科學探究素養(yǎng)，筆者利用Phyphox中的磁傳感器功能進行了教學拓展［2］［3］。

一、提出猜想

學生在學習了電流的磁效應之后，提出猜想：影響通電螺線管周圍磁感應強度的因素可能有三個，即電流大小、線圈匝數以及線圈內部有無鐵芯。根據控制變量法將研究分成三步：改變電路中的電流大小，研究磁感應強度與電流大小的關系；改變線圈匝數，研究磁感應強度與線圈匝數的關系；控制線圈中有無鐵芯，研究磁感應強度與線圈中有無鐵芯的關系。

二、細化研究任務

（一）設計實驗電路

實驗原理圖和裝置圖如圖1（a）（b）所示。實驗中，電流從電源正極流出，流經電流表、滑動變阻器、通電螺線管再回到負極，通過滑動變阻器就可以實現改變電路中的電流大小。將通電螺旋管靠近手機，再利用手機內置的傳感器和Phyphox軟件實現探測。

（二）確定手機內磁傳感器的位置以及軸線方位

（1）確定磁傳感器的位置

讓條形磁鐵在手機周圍空間移動，觀察Phyphox軟件中磁感應強度大小的變化規(guī)律，發(fā)現當且僅當條形磁鐵靠近手機攝像頭位置時，磁感應強度[B]的波形圖出現峰值，于是推測手機內磁傳感器位于攝像頭附近位置。

（2）確定磁傳感器的軸線方位

為了確定手機內磁傳感器的軸線方位，我們將通電螺線管長軸方向分別平行于手機三維幾何對稱軸，通過Phyphox軟件中磁力計記錄磁場變化。結果發(fā)現，手機內置的磁傳感器是沿著手機幾何z軸方向，如圖2所示［4］。

（三）消除地球磁場的影響

基于通電螺線管周圍磁場與地球磁場的大小在數量級上相當，因此我們計劃采用分量分離的方法來減少地球磁場的影響，即選取地球磁場分量近似為零的方向為標定方向，將通電螺旋管周圍磁場的方向調整為平行該標定方向，從而減少地球磁場的影響。具體操作過程如下：將手機放置在遠離磁性物質位置，利用Phyphox軟件中磁傳感器的校準功能，以及通過在水平桌面上旋轉手機，測得地球磁場的磁感應強度（～47 μT）及x、y、z軸三個方向的分量，選取x軸分量為零的方向為標定方向，調整通電螺線管位置，使其產生的磁場只有x軸分量，即可消除地球磁場的影響［5］。

三、開展定量研究

（一）研究磁感應強度與電流大小的關系

1.實驗步驟

打開Phyphox軟件，確定通電螺線管位置，消除地球磁場的影響。接通電源，保持通電螺線管位置不變，改變滑動變阻器接入電路的阻值，記錄對應的電流大小，觀察磁感強度隨電流變化的過程（[B-I]圖像），如圖3所示。

2.數據分析

選取不同電流值，得到對應電流下的磁感應強度B，記錄數據如表1所示［6］。

數據擬合處理發(fā)現，通電螺線管周圍的磁感強度[B]隨回路電流[I]線性增大，如圖4所示，這與理論解析結果自洽相符，證明了通電螺線管周圍的磁感應強度與電流強度成正比例關系［7］。

（二）研究磁感應強度與線圈匝數的關系

1. 實驗步驟

保持通電螺線管和手機相對位置不變，保持滑動變阻器接入阻值不變，只改變線圈匝數，觀察恒定電流下磁感強度隨線圈匝數變化的過程（[B-N]圖像），如圖5所示。

2.數據分析

選取不同線圈匝數，得到恒定電流下不同匝數對應的磁感應強度[B]，記錄數據如表2所示。

數據擬合處理發(fā)現，通電螺線管周圍的磁感應強度[B]隨線圈匝數[N]線性增大（如圖6），這與理論解析結果一致，證明了通電螺線管周圍的磁感應強度與線圈匝數成正比例關系。

（三）研究磁感應強度與線圈中有無鐵芯的關系

1.實驗步驟

保持通電螺線管和手機相對位置不變，保持滑動變阻器接入阻值不變，保持線圈匝數不變，觀察恒定電流下線圈中有鐵芯和無鐵芯時磁感應強度的變化過程，如圖7所示。

2.數據分析

如圖7所示，當控制電路電流為1 A時，線圈中的鐵芯保持原位置不變，觀察發(fā)現[B]值出現脈沖，記錄數據；保持電路電流為1 A，拔出鐵芯，保持線圈位置不變，圖中再次出現一個脈沖，但[B]值大小發(fā)生明顯變化。

抽放鐵芯，得到恒定電流下有鐵芯和無鐵芯時對應的磁感應強度[B]，記錄數據如表3所示。

通過數據分析可知，當通電螺線管中有鐵芯時，線圈周圍磁場的磁感應強度較大；反之，當通電螺線管中無鐵芯時，線圈周圍磁場的磁感應強度較小。

四、結果分析

根據3次探究實驗的結果可知，通電螺線管周圍的磁感應強度與電流大小、線圈匝數、線圈中有無鐵芯有關。通電螺線管周圍的磁感應強度與電流大小、線圈匝數成正比例關系，通電螺線管中有鐵芯時，線圈周圍磁場的磁感應強度較大，反之則較小。

利用手機內置的傳感器和Phyphox軟件在課堂中開展創(chuàng)新演示實驗，不僅能使實驗過程更加便捷，實驗現象更加明顯，還能有效激發(fā)學生的學習興趣和求知欲，開闊學生的眼界，更為教師開展全新的、更復雜的實驗提供了契機。利用這種方法可有效解決傳統(tǒng)實驗中數據誤差大的問題，大大提高實驗的效率，提升教學效果［8］。

需要注意的是，在實驗開始前，需要用Phyphox軟件測量周圍環(huán)境對實驗數據的影響。由于手機本身的性能也會對實驗數據造成誤差，因此可讓學生自主開展該實驗，得到的實驗數據更多，結論更準確，實驗效果更佳。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ］

［1］ ?焦政翰，田建民，田博雅.基于Phyphox磁力傳感器的三種物理實驗方案設計與實踐［J］.中學物理，2023（9）：51-55.

［2］ ?何璐，祖米熱姆·伊馬木，方偉.phyphox軟件介紹及其在物理教學中的應用［J］.物理通報，2020（2）：101-104，108.

［3］ ?饒迪，程敏熙，李錫均.智能手機傳感器在中學物理實驗中的應用綜述［J］.物理通報，2019（4）：123-128.

［4］ ?洪婷婷，肖莉，曹海賓.基于手機軟件Phyphox地磁場三要素的測量［J］.物理通報，2023（2）：91-94.

［5］［6］ ?張瀠尹.利用PhyPhox軟件研究通電直導線周圍的磁感應強度［J］.中學物理教學參考，2023（2）：50-52.

［7］ ?王俊博.定量研究通電螺線管磁場的強弱［J］.物理教師，2008（11）：29.

［8］ ?楊銀海.通電螺線管內部磁感線分布的實驗教學思考［J］.中學物理，2014（23）：40-41.

（責任編輯 黃春香）