安培力大小定量研究裝置*

唐素珍*

(石獅第一中學 福建 泉州 362700)

安培力大小定量研究裝置*

唐素珍*

(石獅第一中學 福建 泉州 362700)

高中教材中關于安培力的大小僅限于定性探究，安培力的大小公式F=BIL往往直接而生硬地給學生．本實驗在課本實驗的基礎上進行改進，將安培力的定性探究轉為定量探究，使得實驗從定性過渡到定量，更符合學生的認知的規律．

安培力 定量 實驗

1 設計背景

“探究磁場對電流的作用”是《物理·選修3-1》司南版(山東科技出版社)第6章的第1節．教材中對安培力的大小探究只局限于定性探究安培力大小與磁場強弱B，電流大小I，以及通電導體在磁場中的長度L的關系．

定性實驗探究的結論只能說明：磁場越強、電流越大、通電導體在磁場中的長度越長，導體受到的安培力也就越大．并不能由此說明安培力F與B，I，L成正比，而得到安培力的大小公式：F=BIL．筆者為了解決此不足，自制了安培力大小定量研究裝置．現把實驗原理及實驗裝置簡單介紹如下.

2 實驗原理

導體棒跟磁場垂直放置，如圖1所示，用細線懸掛的導體棒受到安培力作用后偏離豎直方向一個角度θ，由平衡條件知

F=mgtanθ

當θ很小時

其中l為懸線的長度，x為導體棒在l與過O點的豎直線所在平面內，導體棒截面到豎直線的距離.所以安培力

這樣，我們就可以通過測定x的值來確定F的大小了．

圖1 用細線懸掛的導體棒受到安培力的分析

3 實驗裝置

(1)磁鐵.實驗室的U形磁鐵7塊．事先用磁感應強度測試儀測一下，選用磁感應強度值相同的．在其背面貼上雙面膠，將其等間距固定在桌面上．

圖2 測定安培力大小的實驗裝置

(2)導體棒.選用鋁制毛衣針，長度約為35 cm，質量約為2.5 g．懸掛線是從多股導線中抽出來的細銅絲，上端與小夾子焊在一起，截取約50 cm長．導體棒懸掛在一根絕緣的水平橫梁上．整個導體棒上下都是活動的．

(3)電源和電路.電源選用J1202學生電源，穩壓2 A，變阻器為50 Ω，1.5 A，電流表為演示電流表，將它們串接起來便可．

(4)測定磁場力的標尺和指針(測量裝置).根據實驗原理，導體棒在磁場中偏轉的距離x，可以代表磁場力F的大小，測定這個x需在毛衣針上粘貼一個小指針(用一小紙片制成)，在磁鐵的一個側面貼上一段均勻刻度的標尺，并使指針貼近標尺，如圖3所示．

圖3 測定磁場力的標尺和指針

4 操作說明

(1)通過給導體棒串聯一滑動變阻器，通過改變滑動變阻器的阻值改變流經導體棒的電流I，研究通電導體所受安培力F與電流I的關系．

(2)裝置中整個導體棒上下都是活動的，所以可以通過移動導體棒上端的夾子改變懸點位置，下端改變懸線與導體棒的接線位置來改變接入電路的導體的長度，研究通電導體所受安培力F與導體在磁場中的長度L的具體關系．

由于筆者水平有限，還未能解決安培力F與磁感應強度B的具體關系．因為考慮到裝置中如果撤去磁鐵，不但改變了磁感應強度B，同時還改變了通電導體在磁場中的長度L．

5 實驗過程

(1)保持通電導線在磁場中的長度L(L=7L0)一定，改變導線中的電流I(100，80，60，40，0 mA)，測定導線所受安培力F(x)，研究F(x)跟I的關系，表1為實驗數據．

表1

(2)保持通電導線中的電流I(I= 100 mA)一定，改變導線在磁場中的長度L(用磁鐵數目表示，取7L0，5L0，3L0，1L0，0)，測定導線所受安培力F(x)，研究F(x)跟L的關系，表2為實驗數據．

表2

其中，L0為一塊磁鐵的長度．

(3)處理實驗數據，得出結論

1)作出位移x和電流I圖像，如圖4所示.

圖4 x-I圖像

從圖像上，我們可以看出，偏轉距離x與電流I成正比，x越大，反映安培力F越大．

結論1：安培力的大小F與電流I成正比

2)作出x-L圖像，如圖5所示.

圖5 x-L圖像

從圖像上，我們可以看出，x與L成正比，經過分析，同理有安培力的大小F與通電導體在磁場中的長度L成正比．

結論2：安培力的大小F與通電導體在磁場中的長度L成正比

總結：綜上所述，安培力的大小F與與電流I成正比，與通電導體在磁場中的長度L成正比．

6 實驗注意

(1)注意固定磁鐵時，兩塊磁鐵之間應間隔一段距離，不能緊靠在一起，間距約為1.5 cm．

(2)由于銅棒受安培力發生偏轉時，懸點處會有一定的扭轉力距．若是扭轉力距過大，銅棒偏轉不明顯，在測定導體棒在磁場中偏轉的距離x時就帶來較大的實驗誤差．為此，在筆者在自制教具時，懸掛線的銅絲并不是直接纏繞在絕緣橫梁上，而是將銅絲焊在小夾子上，再讓小夾子夾住絕緣橫梁．

(3)電流不能太大．導體棒在磁場中偏離豎直方向的距離不能太大，最大只能幾個毫米，不然，由于導體棒在各個位置的磁感應強度不一致，會破壞線性關系．實驗表明，導體棒移動的范圍應在兩磁極中央，在磁極內側的一小段范圍內．

7 設計反思

本實驗裝置取材簡單，原理明了，現象直觀．將課本中的定性實驗轉化為定量實驗．在教學中，更有說服力．但是，該實驗裝置也存在一些不足：

(1)還未能解決安培力F與磁感應強度B的具體關系．因為考慮到裝置中如果撤去磁鐵，不但改變了磁感應強度B，同時還改變了通電導體在磁場中的長度L；

(2)裝置U形磁鐵的磁場只有在端口處一小段范圍內才是勻強磁場，所以實驗中的精度要求要高，操作上顯得繁瑣．

**福建省教育科學“十二五”規劃常規果題“高中物理教材二次開發案例研究”，項目編號：FJJK15-454

2016-08-17)