可旋轉(zhuǎn)勻強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)平臺的創(chuàng)新設(shè)計與開發(fā)

丁良峰

可旋轉(zhuǎn)勻強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)平臺的創(chuàng)新設(shè)計與開發(fā)

丁良峰

中學(xué)物理有關(guān)電磁場方面的實(shí)驗(yàn)對于學(xué)生學(xué)習(xí)電磁學(xué)知識有著非常大的價值，但是現(xiàn)在常見的實(shí)驗(yàn)器材存在一些缺陷和不足，尤其是可產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場的實(shí)驗(yàn)裝置。為解決這一問題，筆者作為一名技術(shù)教師，結(jié)合專業(yè)背景，對可旋轉(zhuǎn)勻強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了研究和技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)可旋轉(zhuǎn)勻強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)平臺，對師生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)有著很大的幫助。

勻強(qiáng)磁場；可旋轉(zhuǎn)平臺；創(chuàng)新設(shè)計

一、問題的提出

探究安培力是高中物理學(xué)習(xí)電磁學(xué)的一個重要實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)有的安培力的演示器材(如圖1所示)，其演示效果并不理想，主要存在的問題是通電直導(dǎo)體沒有完全在U形磁鐵內(nèi)部，磁場大小不一致，并且U形磁場產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場區(qū)域不是很大，大小、方向不能變化，同時通電導(dǎo)線的長度也不能變化。這很難讓學(xué)生對安培力的定量關(guān)系(F=BIL)有一個深刻的認(rèn)識。同樣在其他的電磁實(shí)驗(yàn)中也同樣存在著不能在一個較大空間的勻強(qiáng)磁場中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

圖1

二、方案的設(shè)計與平臺的制作

1.理論依據(jù)

根據(jù)亥姆霍茲環(huán)形線圈(如果有一對相同的載流圓環(huán)形線圈彼此平行且共軸，通以同方向電流，當(dāng)環(huán)形線圈間距等于環(huán)形線圈半徑時，兩個載流環(huán)形線圈的總磁場在軸的中點(diǎn)附近的較大范圍內(nèi)是均勻的)在中間區(qū)域可以產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場的特點(diǎn)制作而成。該結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是：空間開闊，使用方便；磁場與供電電流有很好的線性關(guān)系；使用磁場空間有很寬的均勻區(qū)。在實(shí)驗(yàn)時，可以采用控制變量的方法進(jìn)行，使原本中學(xué)階段只能靠講解或模糊實(shí)驗(yàn)變得越來越清晰，使得在進(jìn)行磁場方面的教學(xué)時，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更為科學(xué)、準(zhǔn)確、嚴(yán)謹(jǐn)。

2.方案設(shè)計

根據(jù)中學(xué)物理電磁學(xué)部分實(shí)驗(yàn)的需要，制定了實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計要求。

(1)可以產(chǎn)生較大空間的勻強(qiáng)磁場。

(2)磁場的大小可以通過改變線圈輸入電流的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)線性關(guān)系。

(3)磁場的角度可以進(jìn)行改變，實(shí)現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)。

(4)在該平臺中可以完成多個電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)。

結(jié)合設(shè)計要求進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計，設(shè)計了兩個方案如圖2、圖3所示。

圖2　方案一

圖3　方案二

方案一和方案二都可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生較大空間的勻強(qiáng)磁場，并且可以進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)。但是在進(jìn)行安培力實(shí)驗(yàn)時，方案一中進(jìn)行懸掛通電直導(dǎo)線會和線圈有交叉，兩者會相互干擾，方案二則可以避免這個問題，因此最終選擇方案二進(jìn)行設(shè)計制作。

3.實(shí)驗(yàn)裝置的制作

根據(jù)設(shè)計方案，選擇漆包線、亞克力板、木條、銅箔膠帶、接線柱、導(dǎo)線、銅管、螺栓、五夾板。使用的工具主要有激光雕刻機(jī)、塑料彎曲機(jī)、氣釘槍、繞線機(jī)、電鉆等工具進(jìn)行加工其主要材料和加工工具如圖4、圖5所示。主要加工過程如圖6～圖11所示。

圖4　制作材料

圖5　加工工具

如圖6所示，使用激光雕刻機(jī)加工圓環(huán)，將加工好的材料用氣釘槍固定，并加502膠水進(jìn)行加固，然后用直徑0.7 mm的漆包線進(jìn)行繞線，每個線圈繞線為240圈。如圖7所示，使用激光雕刻機(jī)切割亞克力板，采用氯仿粘合劑粘結(jié)，制作裝置框架結(jié)構(gòu)。

圖6

圖7

圖8　安裝水平調(diào)節(jié)旋鈕

圖9　安裝水平管

圖10　組裝

圖11　完成制作

4.實(shí)踐平臺的特點(diǎn)及創(chuàng)新之處

可旋轉(zhuǎn)勻強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)平臺是利用亥姆霍茲線圈可以在較大范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻的磁場為基礎(chǔ)，設(shè)計出一個可以較大范圍內(nèi)的勻強(qiáng)磁場。其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，磁場區(qū)域較大，并且無遮擋，便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察；在中間的實(shí)驗(yàn)平臺中，設(shè)置了導(dǎo)線的插孔，方便進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)；兩個亥姆霍茲線圈可以進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，并且中間平臺也可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

三、進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)　探究裝置設(shè)計的實(shí)用性

1.觀察線圈內(nèi)外磁場部分布情況，驗(yàn)證通電電流與產(chǎn)生磁場之間的線性關(guān)系

將小磁針分別擺放在線圈內(nèi)部和線圈的正前方，觀察其通電前后小磁針的指向情況。可以很好地驗(yàn)證右手螺旋定則，通電線圈的所產(chǎn)生的磁場方向?yàn)槟粗阜较颉Ｈ鐖D12所示，未通電時，小磁針受地磁場的影響成左右(南北)方向排列。如圖13所示，通電后，小磁針主要受線圈產(chǎn)生的磁場力作用成前后方向排列。

圖12

圖13

為驗(yàn)證磁場與供電電流有很好的線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)過程中采用磁場傳感器，輸入電流從0.5 A，每次增加0.5 A，每次進(jìn)行10 s采集數(shù)據(jù)，求得平均值，測得輸入電流與磁通量之間的關(guān)系，如表1和圖14所示。

表1

圖14

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該裝置可以通過改變通電環(huán)形線圈中電流的大小實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)磁場的強(qiáng)弱的目的，而且兩者大小之間有較好的線性關(guān)系。

2.定量進(jìn)行探究安培力的大小影響因素，驗(yàn)證安培力與B，I，L之間的關(guān)系

(1)裝置原理

圖15為實(shí)驗(yàn)裝置圖。圖16為實(shí)驗(yàn)原理圖，其中O為轉(zhuǎn)軸，mg 為線圈自身重力，H為轉(zhuǎn)軸到水平刻線距離，線圈在轉(zhuǎn)動時受到安培力力矩和重力力矩的作用，則轉(zhuǎn)動平衡時有：

從圖中的幾何關(guān)系可以看出：tanθ=x/H，x為θ的正切線長度；

故有：X=l2H/mgl1。

所以，x∝ F安，即為指針與水平刻線交點(diǎn)到0刻線的距離，則θ角正切線長度x與F安大小成正比。

圖15

圖16

(2)探究安培力的影響因素，驗(yàn)證安培力與B，I，L之間的關(guān)系

在直導(dǎo)線線圈中電流I一定時，研究安培力F與B的關(guān)系。通電直導(dǎo)線電流I不變，改變磁場B的大小(通過改變環(huán)形線圈中電流的大小實(shí)現(xiàn))，觀察導(dǎo)線的運(yùn)動情況。此次實(shí)驗(yàn)，通電直導(dǎo)線電流為0.3 A，環(huán)形線圈的通電電流按0.5 A遞增，從實(shí)驗(yàn)可以明顯看出，環(huán)形線圈的通電電流越大，通電導(dǎo)線的偏轉(zhuǎn)角度越大。同樣采取控制變量的方式來研究安培力F與I以及L之間的關(guān)系。可以得出直導(dǎo)線線圈電流I越大，安培力F越大。導(dǎo)線的長度越長(通過改變線圈的匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)，分別為50匝、100匝、150匝)，所受到的安培力F越大(如圖17所示)。

圖17

保持亥姆霍茲線圈的通電電流為4.5 A時，所測得不同直導(dǎo)線線圈匝數(shù)時的通電電流與偏轉(zhuǎn)距離之間的關(guān)系，因?yàn)閤∝F安，從而可以得出安培力F安與直導(dǎo)線的通電電流、直導(dǎo)線的長度(即通過改變線圈的匝數(shù)來實(shí)現(xiàn))之間的關(guān)系。

通過實(shí)驗(yàn)，我們可以清晰的得出結(jié)論，B∝F安，I∝F安，L∝F安，所以F安=BIL。

3.旋轉(zhuǎn)磁場實(shí)驗(yàn)平臺的其他應(yīng)用

在電磁學(xué)的部分實(shí)驗(yàn)中，重要的是要提供一個較大空間的勻強(qiáng)磁場空間，以方便實(shí)驗(yàn)操作。該平臺的設(shè)計可以滿足很多實(shí)驗(yàn)的需求，如陰極射線管在磁場中的偏轉(zhuǎn)，改變磁場的大小可以觀察偏轉(zhuǎn)幅度的大小；如改變磁場的方向，可以等效解決磁場疊加后電子束的運(yùn)動情況。再如加上交變電流，可以演示電磁感應(yīng)現(xiàn)象等。

四、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具的價值及其意義

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具的設(shè)計不是簡單的儀器設(shè)備的仿制，要經(jīng)過一定的思考、創(chuàng)意、構(gòu)思和設(shè)計，是一項(xiàng)創(chuàng)造性的活動。同時，在教具的設(shè)計制作過程中，必然要涉及科學(xué)知識、生產(chǎn)工藝和新材料、新技術(shù)、新方法的使用。開發(fā)研究自制教具有著重要意義，這不僅可以改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的條件，而且對師生的實(shí)驗(yàn)動手能力，創(chuàng)新意識等科技素質(zhì)的提高有很好的促進(jìn)作用。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具的設(shè)計，是教師針對教學(xué)過程中的重難點(diǎn)和不盡完善的實(shí)驗(yàn)而設(shè)計制作的教具，為實(shí)現(xiàn)其針對性和科學(xué)性，教師必須經(jīng)過較長的時期的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累，產(chǎn)生對某一教具改進(jìn)或創(chuàng)新設(shè)計，經(jīng)歷設(shè)計、選材、組裝、實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)、再實(shí)驗(yàn)等一系列過程。教師在其制作及實(shí)驗(yàn)的過程中，既提高了教學(xué)水平，豐富了教學(xué)經(jīng)驗(yàn)；又能增進(jìn)學(xué)生對知識概念的理解，提高教學(xué)效果。同時教師的知識得到升華，能力得到檢驗(yàn)，教師應(yīng)有的素質(zhì)得到培養(yǎng)和提高。

五、結(jié)束語

愛因斯坦說：“興趣是最好的老師”。中學(xué)生富有好奇心和求知欲，是創(chuàng)新的內(nèi)在動力。教師進(jìn)行了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具的設(shè)計，勢必會激發(fā)學(xué)生對科技產(chǎn)生興趣。在遵循科學(xué)原則的基礎(chǔ)下，師生共同動手制作教具，既可鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)、動手能力，又可培養(yǎng)學(xué)生愛科學(xué)、學(xué)科學(xué)的習(xí)慣，還可以開闊學(xué)生眼界、活躍學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

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[3] 吳億年,陳世謙,王雙維.安培力定量演示器設(shè)計與實(shí)驗(yàn)研究[J].物理教師,2002(9):25-28.

丁良峰，本科，中教一級。江蘇省蘇州市西安交通大學(xué)蘇州附屬中學(xué)，215021