安培力微小放大演示儀

胡安正 趙顯偉

摘要：安培力是物理學中十分重要的一個知識點。然而目前很少見到較為理想的安培力演示裝置。巧妙利用光杠桿的微小放大作用，將微小安培力進行放大而研制出的安培力微小放大演示儀，是一款極具新穎性、創新性和探索性實驗裝置。

關鍵詞：安培力；磁感強度；光杠桿作用；微小放大

1設計思想

安培力在物理學中有十分重要的應用，但是，實際上實驗室中所產生的安培力往往較小，很難被觀察到。經探究發現，若應用微小放大的原理，可以將微小的安培力的被明顯地觀察到。于是利用光的杠桿放大原理設計研制出這款安培力微小放大演示儀，演示效果明顯。另外，由公式F=BILsinθ不難看出，影響安培力F大小的因素有磁感強度、通電電流、導體長度和磁場與通電電流之間的角度，實踐中，改變通電電流的大小比較容易實現。

2實驗原理

(1)安培力的產生原理：電流是導線中自由電子在電場的作用下定向運動形成的。由物理原理可知宏觀量電流，與相應微觀量的關系為I=△AQ/A△t=envS，每個電子所受到的洛侖茲力f=evB，所以，導線dl段受到的安培力就是其中各自由電子定向運動所受洛侖茲力之和，其中包含的自由電子的總數為nSA2，所以這段導線最終受到的力為F=nSdl·f=nSAlevB=B△l(enSv)=B△lI。這正符合安培力：F=BILsinθ的計算公式。

(2)光杠桿微小放大原理：如圖2所示，當置于棟梁上的平面鏡旋轉θ角時，來自于激光筆的入射光與被平面鏡反射后的反射光之間的夾角增大為2θ。由于光程較大，這個微小的2θ，投射在刻度尺上后被放大很多倍，從而使微小的偏轉被顯著放大，這便是光杠桿微小放大原理。

3實驗儀制作與結構圖

結構示意圖如圖2所示，主要包括：①刻度尺，②激光筆，③平面鏡，④橫梁，⑤導體棒，⑥U型磁鐵，⑦底座，⑧電源，⑨滑動變阻器，⑩導線。

實驗儀制作：如圖2所示，將U型磁鐵倒立并使其U形面與刻度尺和平面鏡組成的平面平行放置于底座的平板上，將其固定。讓導體棒垂直于磁鐵的U型面而置于U形槽中，平面鏡垂直鑲嵌在橫梁上，在導體棒兩端用導線分別連接滑動變阻器、電源，形成回路。

4演示實驗操作及實驗現象的成因分析

①調節橫梁后面的配重物，使支柱上橫梁處于水平狀態；

②連接好電路裝置，接通電源給整個裝置通電，在接通的瞬間，可觀察到導體棒中產生安培力使橫梁轉動，從而使平面鏡發生傾斜，導致激光筆發出的光被“運動”后的平面鏡反射，反射光線與入射光線形成較大的夾角2θ，并且在刻度尺上得到較大的激光點位置改變。

5功能特點及效果分析

(1)本實驗儀巧妙利用光杠桿所產生的微小放大作用，將微小安培力顯著的呈現出來，將抽象的物理原理具體化、形象化，便于人們理解。

②本實驗儀可調控性強，由安培力公式F=BILsinθ可知，既可通過調控電源和電阻的大小來改變導體棒中的電流，的大小，也可通過調控導體棒與U形磁鐵間的夾角來改變sinθ大小，從而改變安培力的大小，實驗現象顯著、直觀。

③集“力、電、光”等知識于一身，知識含量豐富，探究性和挑戰性強，能很好地激發同學們探索科學的興趣，是一種很好的“綜合性、探索性、創新性”演示實驗裝置。