對“磁場對通電導(dǎo)線的作用”一課的思考

劉　燕

(揚州大學(xué) 附屬中學(xué)，江蘇 揚州 225002)

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對“磁場對通電導(dǎo)線的作用”一課的思考

劉燕

(揚州大學(xué) 附屬中學(xué)，江蘇 揚州 225002)

摘要：對人教版和教科版教材中關(guān)于安培力大小的測量方法進行比較，找出實際教學(xué)過程中存在的問題，并提出了兩種測量安培力大小的方案：即將測量安培力大小轉(zhuǎn)換成測量電流表偏轉(zhuǎn)角和利用電子秤直接測量安培力大小.

關(guān)鍵詞：安培力；磁場；電流；釹鐵硼強磁體；電子秤

1問題的提出

文獻[1]中2次提到了磁場對通電導(dǎo)線的作用力大小的計算表達式. 在“磁感應(yīng)強度”一節(jié)中，使用圖1所示的演示實驗可定性探究影響通電導(dǎo)線受力的因素——電流大小、導(dǎo)線通電部分長度，所受磁場力的大小通過導(dǎo)線擺動的角度進行比較. 但在課堂演示時，往往由于擺角變化不明顯、擺角位置難以記錄、不能同時比較多次實驗結(jié)果等限制，效果會大受影響. 而在“磁場對通電導(dǎo)線的作用力”一節(jié)則僅對已得到的結(jié)論進行討論和拓展.

圖1　定性探究影響通電導(dǎo)線受力因素的演示實驗

文獻[2]中“磁場對通電導(dǎo)線的作用——安培力”一節(jié)用圖2裝置對安培力大小進行定量研究，理論上可以通過彈簧測力計示數(shù)的變化計算出導(dǎo)體所受安培力的大小. 但實際操作時仍存在以下問題：1)理論上可探究安培力與電流大小的關(guān)系，導(dǎo)體通電長度的影響難以觀察；2)實際操作時，由于通電導(dǎo)線所受安培力非常小，通常只有0.01 N左右，普通的彈簧測力計的精度(0.1 N)不能滿足定量探究的需要. 實驗時常會出現(xiàn)通電導(dǎo)線受到磁體吸引的現(xiàn)象，無法測量[3].

圖2　測量安培力大小的實驗裝置

2解決問題的建議

針對上述問題，筆者在教學(xué)中做了一些思考和嘗試，希望能對教學(xué)有所幫助.

2.1　轉(zhuǎn)換法

圖3　安培力大小轉(zhuǎn)換為電流表偏轉(zhuǎn)角度

安培力的直接測量有難度，可以考慮將安培力的大小轉(zhuǎn)換成其他物理量進行測量，如可以轉(zhuǎn)換為電流表偏轉(zhuǎn)角的測量，實驗裝置圖如圖3所示. 線圈通過電流，在安培力的作用下指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，靜止時指針的偏轉(zhuǎn)角與安培力大小成正比，即可以用指針的偏轉(zhuǎn)角反映安培力的大小. 教學(xué)中可通過偏轉(zhuǎn)角度間接反映安培力的大小，雖是半定量測量，但是效果明顯；該裝置不僅可以測量安培力大小與電流大小的關(guān)系，還可以反映電流方向與安培力方向的關(guān)系(由指針偏轉(zhuǎn)的方向表示).

但該裝置測量原理復(fù)雜，教學(xué)前的準備工作(原理講解)較多；且只能測量安培力大小與電流大小的關(guān)系，與導(dǎo)體的通電長度、磁場強弱的關(guān)系無法測量. 另外該裝置靈敏度較高，實驗時應(yīng)注意通入電流的大小，外接電路需謹慎設(shè)計，否則易損壞器具.

2.2　放大法

實驗中通電導(dǎo)線所受安培力非常小，普通精度彈簧測力計無法測量. 為此可以嘗試增大安培力的方法來提高測量儀器的精度.

磁場對通電導(dǎo)體的作用，安培力大小為F=ILB，實驗時可以適當(dāng)增大通電電流的大小I、導(dǎo)體的通電長度L、磁場強弱B. 實驗時，電流大小和導(dǎo)體長度增大有限，而用磁性極強的釹鐵硼強磁鐵代替蹄形磁鐵，可增強磁場的磁感應(yīng)強度B，安培力的大小亦呈多倍“放大”.

為提高測量儀器的精度，可利用電子秤進行實驗，本實驗中采用的電子秤稱量為200 g，感量為0.01 g. 轉(zhuǎn)化為測力計，其稱量為2 N，感量為0.000 1 N，能滿足測安培力大小的需要.

測量時，將電子秤置于勻強磁場中，直導(dǎo)線放在電子秤的秤盤上，去皮歸零后，閉合開關(guān)，電流通過直導(dǎo)線，讀出電子秤的示數(shù)，其示數(shù)乘以10-2即為安培力的大小，單位為N.

將安培力探究儀與學(xué)生電源、電流表、保護電阻按圖4所示電路圖連接[3]，其實物照片如圖5所示. 用它可以方便地定量探究影響安培力F大小的3個因素.

圖4　實驗電路圖

圖5　實驗實物圖

該方法原理簡單，安培力的大小直接通過電子秤讀出，教學(xué)效果好；儀器可直接得到安培力大小與電流大小、導(dǎo)體的通電長度的正比關(guān)系，同時還可以驗證安培力方向的影響因素. 不過，電子秤過于靈敏，微小的干擾都會影響實驗結(jié)果. 該裝置能直接得出安培力的大小與電流、導(dǎo)體長度的正比關(guān)系，但與磁感應(yīng)強度的關(guān)系只能有定性的結(jié)論.

3教學(xué)反思

“磁場對通電導(dǎo)線的作用”一課的重點是教師與學(xué)生一起探究影響安培力的因素及其關(guān)系. 該力有大小、方向；這又是一個特殊的“力”，電流、磁場、力都看不見、摸不著，如果讓學(xué)生始終在想象里去探究，依據(jù)高中學(xué)生的思維特點，很容易產(chǎn)生思維疲勞. 這就需要教師在課前做好準備，一段精彩的引入顯得尤為必要. 建議將教材中放置在章節(jié)最后的“安培力的應(yīng)用”部分提至“引入”，告知學(xué)生安培力在實際生活生產(chǎn)中的用途，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們感覺學(xué)有所用，更有承上啟下的作用，在介紹完安培力后分析實際的電動機、電流表的原理，相信學(xué)生對安培力的理解更加順其自然.

參考文獻：

[1]張大昌. 普通高中課程標準實驗教科書——高中物理(選修)(3-1)[M]. 2版. 北京：人民教育出版社，2007：83-93.

[2]陳熙謀. 普通高中課程標準實驗教科書——高中物理(選修)(3-1)[M]. 1版. 北京：教育科學(xué)出版社，2006：84-87.

[3]方紅霞. 定量探究磁場對電流作用的實驗設(shè)計[J]. 教學(xué)月刊，2014(2)：70-72.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Thinkings on the effect of magnetic field on the current-carrying wires

LIU Yan

(High School Affiliated to Yangzhou University, Yangzhou 225002, China)

Abstract:By comparing the measurement methods of Ampere force in different teaching materials, the problems in practical teaching were found out. Two schemes of measuring Ampere force were present. First, a device was designed by observing the angular deflection of ammeter to judge the strength of Ampere force. Second, another device was designed to use electronic scales to measure directly the strength of Ampere force.

Key words:Ampere force; magnetic field; current; neodymium iron boron; electronic scale

作者簡介：劉燕(1984-)，女，江蘇鹽城人，揚州大學(xué)附屬中學(xué)一級教師，碩士，從事高中物理教學(xué).

收稿日期：2015-09-22

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)02-0042-03