安培力定量演示實驗

鄧興龍,林明春

(綿竹中學(xué),四川 綿竹 618200)

安培力定量演示實驗

鄧興龍,林明春

(綿竹中學(xué),四川 綿竹 618200)

利用鉛蓄電池、旋鈕式調(diào)壓器和數(shù)字式電流表等器件改進了安培力演示實驗，改進后的實驗裝置能夠定量地探究了安培力F與磁感應(yīng)強度B、電流I、導(dǎo)線長度l及B與I的夾角θ的關(guān)系

安培力;定量實驗;磁感應(yīng)強度;電流

高中物理安培力這一節(jié)涉及到2個演示實驗：定性探究安培力F與電流大小I的關(guān)系，定性探究安培力F與導(dǎo)線長度l的關(guān)系，2個定性實驗的結(jié)論籠統(tǒng)，無法精確探究與安培力有關(guān)的所有因素，更無法從實驗中得出安培力大小的計算公式. 學(xué)生只能粗糙地感知與F有關(guān)的因素，卻不能通過實驗實現(xiàn)真正意義上的探究，尋找相關(guān)因素探究有關(guān)規(guī)律得出實驗結(jié)論最后找到安培力大小計算公式，無法達到探究實驗的目的，因此將定性實驗加以改進形成完整的定量探究實驗設(shè)備，輔助教學(xué)，并能夠通過設(shè)計的實驗裝置，“一站式”完成定量探究F-B，F(xiàn)-I和F-l的正比關(guān)系以及F-θ的正弦函數(shù)關(guān)系，并能夠通過實驗數(shù)據(jù)得出安培力大小計算公式，以完成探究實驗的目的.

安培力定量演示實驗裝置如圖1所示. 該裝置用鉛蓄電池代替學(xué)生電源，用旋鈕式調(diào)壓器代替滑動變阻器，用數(shù)字式電流表代替指針式電流表，讀數(shù)方便快捷，攜帶方便.

圖1 安培力定量演實驗裝置

1 定量探究F-I之間的關(guān)系

將磁鐵受到的安培力的反作用力直接演化為導(dǎo)線圈受到磁場對其豎直方向的安培力. 從而能夠通過電子秤將安培力F的大小量化,并通過滑動變阻器以及電流表量化電流I的大小,從而達到定量探究安培力F與電流I的關(guān)系. 選定n為60圈的線圈，通過改變I的大小得出數(shù)據(jù)(如表1所示)，利用Excel的圖表功能擬合得到圖2. 通過控制變量法以及描點繪圖法作出F-I的函數(shù)關(guān)系圖(過原點的直線)，得出安培力F∝I的實驗結(jié)論.

表1 n=60時，F(xiàn)隨I的變化數(shù)據(jù)

圖2 F-I圖像

2 定量探究F-l之間的關(guān)系

若要定量探究安培力F與導(dǎo)線長度l的關(guān)系，就得量化導(dǎo)線長度. 為此通過更換不同線圈匝數(shù)的導(dǎo)線圈的形式，達到調(diào)節(jié)變量l并量化的目的. 采用20，40，60，80，120匝共5組導(dǎo)線圈. 導(dǎo)線圈寬度為3 cm. 因此得到有效長度分別為0.6,1．2,1．8,2．4 m的5組不同長度導(dǎo)線圈，通過更換導(dǎo)線圈的方式改變導(dǎo)線長度，最后繪制F-l函數(shù)圖像. 選定B=43 T，I=0.8 A,θ=90°，通過改變l的大小得出數(shù)據(jù)(如表2所示)，利用Excel的圖表功能得到了圖3. 根據(jù)函數(shù)圖像得出安培力F∝l的函數(shù)關(guān)系.

表2 B=43 T，I=0.8 A,θ=90°時，F(xiàn)隨l的變化數(shù)據(jù)

圖3 F-l圖像

3 定量探究F-B函數(shù)關(guān)系

若要定量探究F-B的關(guān)系，首先是量化磁感應(yīng)強度B的大小，并且能夠改變B的大小從而完成定量探究目的，以改變平行磁鐵(大面積平行磁鐵之間的磁場為勻強磁場)之間的距離的方式，到達改變磁場大小的目的.

改變距離從而改變B的大小，繪制函數(shù)圖像得出F∝B的結(jié)論. 選定n=60圈，I=0.23 A，通過改變B的大小得出實驗數(shù)據(jù)如表3所示，利用Excel的圖表擬合得到圖4.

表3 n=60圈,I=0.23 A時，F(xiàn)隨B的變化數(shù)據(jù)

圖4 F-B圖像

由以上3個定量探究實驗得出F∝B，F(xiàn)∝I，F(xiàn)∝l從而得出F∝BIl的結(jié)論. 由于本實驗每個數(shù)據(jù)都以國際制單位量化，因此本實驗數(shù)據(jù)直接可以得出BIl的乘積在誤差范圍內(nèi)等于F的關(guān)系式. 從而確定在BI垂直前提條件下安培力大小計算公式F=BIl.

4 定量探究F-θ關(guān)系

若要定量探究F-θ的正弦函數(shù)關(guān)系，需通過旋轉(zhuǎn)勻強磁場，并量化B與I夾角θ. 繪制F-θ函數(shù)圖像得出F-θ的正弦函數(shù)關(guān)系. 選定n=40圈，I=0.4 A，通過改變θ的大小得出實驗數(shù)據(jù)(如表4所示)，利用Excel的圖表功能得到了圖5.

表4 n=40圈,I=0.4 A時，F(xiàn)隨B的變化數(shù)據(jù)

圖5 F-θ圖像

本實驗誤差較大，其最大原因是平行磁鐵間并非真正的勻強磁場. 當(dāng)磁場轉(zhuǎn)到一定夾角時，導(dǎo)線圈靠近磁鐵，使得磁場偏大從而產(chǎn)生嚴(yán)重誤差. 但是依然能識別其正弦函數(shù) 圖像，得出實驗結(jié)論F∝sinθ.最終得出安培力大小計算公式F=BIlsinθ.

5 結(jié)束語

本文是筆者以安培力定性實驗改定量實驗的一次嘗試，希望能夠通過展示安培力實驗的改進方法與過程，總結(jié)可以復(fù)制的改進實驗的模式，讓更多的高中實驗變得生動有趣，讓學(xué)生可以更多地參與到實驗中，并從中得出結(jié)論，從而達到實驗探究最根本的目的.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

QuantitativedemonstrationofAmpereforce

DENG Xing-long, LIN Chun-ming

(Mianzhu Middle School, Mianzhu 618200, China)

Some devices, such as lead battery, knob-type voltage regulator, and digital amperemeter were used in Ampere force demonstration experiment. The improved experimental device could quantitatively explore the relationship between Ampere's forceFand magnetic inductionB, currentI, wire lengthland angleθbetweenBandI.

Ampere force; quantitative experiment; magnetic induction

2017-05-27

鄧興龍(1963-),男,四川綿竹人,綿竹中學(xué)高級教師,學(xué)士,從事高中物理教學(xué)工作.

G633.7

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：1005-4642(2017)09-0055-02