便攜式高精度安培力探究?jī)x

方紅霞，王 君

(揚(yáng)州大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225002)

便攜式高精度安培力探究?jī)x

方紅霞，王 君

(揚(yáng)州大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225002)

為定量探究影響安培力的因素，設(shè)計(jì)制作了安培力探究?jī)x. 利用電子秤測(cè)安培力的大小，通過改變電池節(jié)數(shù)和電阻來改變電流大小，改變線圈抽頭來改變通電導(dǎo)線的長度，用釹鐵硼強(qiáng)磁鐵來增大勻強(qiáng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和寬度，改變兩磁極間距離改變磁感應(yīng)強(qiáng)度，用角度盤、指針和放大鏡組合而成的測(cè)角器來清晰顯示電流與磁場(chǎng)方向間夾角的大小及其變化. 應(yīng)用該儀器，利于學(xué)生理解左手定則和公式F=IlBsinθ.

安培力;電流；磁感應(yīng)強(qiáng)度

1 實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)思路

人教版物理教材和學(xué)校實(shí)驗(yàn)室提供的探究裝置如圖1所示. 簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置只能定性研究，不能定量探究，操作也不方便. 為此筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了安培力探究?jī)x，實(shí)物圖如圖2所示，電路圖如圖3所示.

圖1 教材及實(shí)驗(yàn)室裝置

圖2 安培力探究?jī)x實(shí)物圖

圖3 電路圖

1.1 安培力大小的測(cè)量與方向判斷

由于安培力的測(cè)量值較小，在10-3N的數(shù)量級(jí)，彈簧測(cè)力計(jì)的精度不能滿足定量探究的需要. 為此改用精度為0.01 g的電子秤，轉(zhuǎn)化為測(cè)力計(jì)，將質(zhì)量單位g換算為力的單位N，讀數(shù)時(shí)，將顯示屏上的示數(shù)乘以系數(shù)10-2即可. 此時(shí)測(cè)力計(jì)的精度為0.000 1 N. 示數(shù)為正，表示安培力的方向向下；示數(shù)為負(fù)，表示安培力的方向向上.

1.2 電流大小的測(cè)量及其改變方法

用精度為0.01 A的數(shù)顯電流表來測(cè)量電流的大小. 改變電流的方法有2種：

1)電池盒內(nèi)有4節(jié)5號(hào)干電池，改變接入電路中的電池節(jié)數(shù)，可分別獲得1.5，3，4.5，6 V的電壓.

2)移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片來改變電流. 香蕉插頭用來外接線圈與電池2個(gè)插座板中的插孔，方便地改變電壓和線圈匝數(shù).

1.3 導(dǎo)線長度的測(cè)量及其改變方法

由于1根通電直導(dǎo)線上獲得的安培力很小，測(cè)量誤差較大，所以自制了帶有抽頭的矩形線圈作為通電導(dǎo)線. 其在磁場(chǎng)中的長度為矩形的長邊l0與其匝數(shù)n的乘積. 5個(gè)抽頭可獲得4組不同的匝數(shù)，分別為100，150，200，250匝，矩形線圈的有效長度設(shè)計(jì)為0.08 m，通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中可方便地獲得8，12，16，20 m不同的有效長度.

1.4 勻強(qiáng)磁場(chǎng)的獲取及其改變方法

蹄形磁體的磁場(chǎng)寬度較小、體積較大、磁場(chǎng)強(qiáng)度不易改變，還很笨重，所以選用2個(gè)長10 cm×1 cm×1 cm 的釹鐵硼強(qiáng)磁鐵代替. 該強(qiáng)磁體可獲得10 cm寬的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，通過改變磁鐵間的距離還可以改變磁感應(yīng)強(qiáng)度. 前后2塊強(qiáng)磁鐵，能在左右2個(gè)導(dǎo)軌上前后移動(dòng)，左右2根長度相同的隔木條能將前后2塊強(qiáng)磁鐵隔開一定的距離，可調(diào)節(jié)為4,5,6,8 cm這4個(gè)距離.

1.5 電流與磁場(chǎng)間夾角的測(cè)量及其改變

實(shí)驗(yàn)裝置利用自制的測(cè)角器測(cè)量電流與磁場(chǎng)間的夾角，它包括角度盤、放大鏡和指針3個(gè)部分. 角度盤固定在矩形線圈的上表面，其90°的位置始終與通電導(dǎo)線的位置一致，并與矩形線圈共同繞固定在電子秤盤上的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn). 固定在儀器支架上的指針能指向測(cè)角器旋轉(zhuǎn)后的刻度，并通過與指針固定在一起的放大鏡直接清晰地顯示出電流與磁場(chǎng)間的夾角θ.

2 探究?jī)x的制作及其調(diào)試

2.1 器材與工具

漆包線、裝飾板、凸透鏡、滑動(dòng)變阻器、雙面膠、木膠、電子秤、數(shù)顯電流表、釹鐵硼強(qiáng)磁鐵、插座、插頭、電腦、刻度尺、圓規(guī)、鉛筆、鋸子、手電鉆、美工刀、銼刀.

2.2 制作過程

制作轉(zhuǎn)軸：在電子秤的秤盤上制作有固定轉(zhuǎn)軸的盤蓋.

繞制線圈：用包裝盒紙板制成骨架，并在骨架上繞漆包線，留出抽頭.

制作儀器架：用裝飾板制作儀器架，在儀器架上設(shè)置可以使強(qiáng)磁鐵滑動(dòng)的導(dǎo)軌，其旁邊設(shè)置刻度尺，可方便地直接測(cè)出2個(gè)強(qiáng)磁鐵間的距離，或其改變后的距離.

制作測(cè)角器：將角度盤固定在線圈架上，其90°的位置始終與線圈中通電導(dǎo)線位置一致. 底座有與電子秤盤上的轉(zhuǎn)軸相連的旋轉(zhuǎn)孔. 放大鏡與指針固定在儀器架的側(cè)板上.

制作插座板:在儀器架背面板上制作電源插座板(標(biāo)有1.5 V,3 V,4.5 V,6 V)和線圈插座板(標(biāo)有匝數(shù)100,150,200,250).

2.3 安裝調(diào)試

將電子秤、數(shù)顯電流表、強(qiáng)磁鐵、測(cè)角器、開關(guān)、插座板、電池盒等器材安裝在儀器架上，并按教材中電路圖連接，進(jìn)行調(diào)試.

3 定量探究安培力大小的影響因素

3.1 收集數(shù)據(jù)

表1中加粗?jǐn)?shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)測(cè)得到，其余數(shù)據(jù)為計(jì)算得到，紅色數(shù)據(jù)為探究所用.

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 分析論證

由表1中1～4行的數(shù)據(jù)分析可得：在保持磁感應(yīng)強(qiáng)度、導(dǎo)線的長度一定時(shí)，垂直于磁場(chǎng)方向的通電導(dǎo)線所受的安培力F的大小與導(dǎo)線中的電流I成正比.

由表1中第1行和5～7行的數(shù)據(jù)分析可得：在磁場(chǎng)的強(qiáng)度、導(dǎo)線中的電流一定時(shí)，垂直于磁場(chǎng)方向的通電導(dǎo)線所受的安培力F的大小與導(dǎo)線的長度L成正比.

由表1中第1行和8～10行的數(shù)據(jù)分析可得：在導(dǎo)線的長度、電流一定時(shí)，垂直于磁場(chǎng)方向的通電導(dǎo)線所受的安培力F的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比.

由表1中第1行和11～14行的數(shù)據(jù)分析可得：在磁場(chǎng)的強(qiáng)弱、導(dǎo)線的長度、導(dǎo)線中的電流都一定時(shí)，通電導(dǎo)線受到安培力F的大小跟磁場(chǎng)與電流方向間夾角θ的正弦值成正比.

綜上所述，通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受的安培力F的大小，與導(dǎo)線中的電流I、通電導(dǎo)線的長度L、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁場(chǎng)與電流方向間夾角θ的正弦值成正比. 由此可以歸納出計(jì)算安培力的公式：F=IlBsinθ.

4 定性探究安培力方向的影響因素

4.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

分別改變電流方向(由“→”改變?yōu)?“←”)和磁場(chǎng)方向(由“×”改變?yōu)椤啊ぁ?，觀察電子秤示數(shù)的正負(fù)(“↓”為正，“↑”為負(fù))，將3個(gè)方向分別記錄在表2中.

表2 探究安培力方向數(shù)據(jù)

4.2 左手定則

分析表2可知：安培力的方向與電流的方向、磁場(chǎng)的方向都有關(guān)，可用左手定則來描述.

4.3 驗(yàn)證結(jié)論

將表1中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式F=IlBsinθ中，只要等式成立，即可驗(yàn)證該公式. 也可讓學(xué)生用表2中3個(gè)方向之間的關(guān)系來驗(yàn)證左手定則.

5 結(jié)束語

筆者對(duì)教材中安培力探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)制作了安培力探究?jī)x. 用電子秤測(cè)安培力的大小，其示數(shù)的正與負(fù)表示安培力的方向，利用改變電池節(jié)數(shù)和改變電阻來改變電流的大小，改變線圈抽頭來改變通電導(dǎo)線的長度，用釹鐵硼強(qiáng)磁鐵來增大勻強(qiáng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和寬度，改變2個(gè)磁極間距離改變磁感應(yīng)強(qiáng)度，用角度盤、指針和放大鏡組合而成的測(cè)角器來清晰顯示電流與磁場(chǎng)方向間夾角的大小及其變化. 應(yīng)用本儀器，可驗(yàn)證左手定則和公式F=ILBsinθ.

[1] 張大昌. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(物理·選修3-1)[M]. 北京：人民教育出版社，2007.

[2] 邢紅軍. 論物理思想的教育價(jià)值及其啟示[J]. 教育科學(xué)研究，2016(8):61-68.

[3] 方紅霞. 定量探究磁場(chǎng)對(duì)電流作用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 教學(xué)月刊，2014(3):70-72.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Portable high precision Ampere force exploring instrument

FANG Hong-xia, WANG Jun

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

To explore the influence factors of Ampere force quantitatively, the Ampere force exploring instrument was designed and manufactured. The instrument used an electronic balance to measure Ampere force. The current was adjusted by changing the number of batteries and the resistance, the wire length was changed by changing the taps of the coil. Nd-Fe-B magnets were used to increase the intensity and width of the magnetic field. By changing the distance between the two magnetic poles, the magnetic induction intensity was changed. Goniometer, pointer and magnifier were combined to show the size and change of the angle between the magnetic field and the current.

Ampere force; current; magnetic induction intensity

2016-11-16

方紅霞(1971-)，女，江蘇揚(yáng)州人，揚(yáng)州大學(xué)附屬中學(xué)高級(jí)教師，學(xué)士，從事中學(xué)物理教學(xué)與研究工作.

G633.7

A

1005-4642(2017)02-0057-03