幾種定量探究磁場對電流作用的方法

趙小軍

(蘇州工業園區第一中學,江蘇 蘇州 215006)

1 實驗背景

圖1 安培力演示實驗

通過演示實驗研究磁場對電流的作用,在初中和高中物理教材中都有體現．初中階段對本實驗定位于定性演示,而高中階段則對實驗的定量研究提出了要求,但是仔細審視多個版本高中教材中的實驗方案,均不能較精確地實現定量探究,如在人教社2010年版的普通高中《物理》選修3-1教材中,提供了如圖1所示的實驗方案,使用該方案也只能進行半定量探究．為此,梳理分析可以定量研究磁場對電流作用的實驗方法,對豐富教師的實驗視野、啟迪教師開發創新實驗、實現課堂教學中學生的深度學習均具有一定的現實意義．本文作者研究了部分測量安培力的實驗儀器和實驗方案的原理,根據測量的方式分類整理出來如下4種主要方法．

2 實驗方法

2.1 電流天平法

根據通電導線在磁場中受力的原理,可以制成靈敏的電流天平(圖2甲),依據力矩平衡條件,測出通電導線在磁場中受力的大小．如圖2乙,電流天平平衡后,左端鉤碼的重力等于右端通電導線

圖2 電流天平原理圖

所受安培力的大小,通電導線周圍磁場磁感應強度B與螺線管中電流I0的大小成正比．測量記錄好螺線管中電流I0大小、通電導線中電流I大小、鉤碼重力,可以實現定量探究安培力、電流、磁場之間的大小關系．但是電流天平法只適合研究磁場和通電導線垂直的情況．

2.2 電子天平法

圖3 電子天平應用基本原理

基本原理如圖3,采用精度較高的電子天平可以測量一定匝數導線所受重力以及受到安培力后的變化值．將導線繞制成長方形線框,測量時導線框一邊置于勻強磁場中(磁場由勵磁線圈產生,通電線圈寬度小于勵磁線圈安裝于支架上),線框另一邊固定在支架上放于電子天平上．閉合開關,電流通過直導線,讀出電子天平示數的變化量即為安培力的大小．電子天平法可以定量探究不同磁場下通電導線中電流與所受安培力之間的關系．

如果增加圓形角度定位盤,將定位盤固定粘在電子天平上,通電線圈放在定位盤上并使線圈軸心穿過定位盤圓心,通過改變線框與定位盤的角度還可以研究磁場與通電導線夾角由0到π變化過程中安培力的變化規律．

2.3 轉換法

轉換法實驗裝置(如圖4甲)結構分為:水平放置的亥姆霍茲線圈(產生豎直方向勻強磁場)、矩形通電導線框、支架以及刻度盤．矩形線框一端帶有轉軸至于亥姆霍茲線圈的中間,轉軸固定在支架上并裝有刻度盤,當矩形線框不受安培力時靜止在豎直面,矩形線框受安培力會繞軸轉動,平衡后可以讀出線框離開豎直位置的距離x．

(甲) 轉換法裝置圖

(乙) 轉換法原理圖

在實驗過程中通過調節亥姆霍茲線圈中電流的大小來調節矩形線框周圍磁感應強度大小,線框下邊在磁場中的部分為通電導線段,通電后安培力水平向左或是向右．工作原理如圖4乙,矩形線框在通電后受安培力矩和重力力矩的作用,平衡時有mgL1sinθ=F安L2cosθ,可得F安∝tanθ，從圖4乙中可以看出H不變,tanθ∝x,故F安∝x．轉換法可以通過測量x確定安培力變化情況．

如果圖4甲中亥姆霍茲線圈可以繞水平軸轉動,并在軸的側面裝有角度定位圓盤,通過角度圓盤定位亥姆霍茲線圈由水平轉過的角度記錄磁場與豎直方向的夾角,可以研究磁場與通電導線夾角由0到π變化過程中安培力的變化規律．轉換法可以定量研究影響安培力各要素之間的關系．

2.4 DIS傳感器法

課堂演示過程中也會出現演示儀器的可視范圍小,不利于觀察的情況．為了讓學生在實驗中更好地理解安培力以及相關的影響因素,引入DIS傳感器可以使顯示更直觀,提高了課堂效率．如圖5,通過勵磁線圈產生勻強磁場,長方形多匝通電線圈受安培力,實驗中將受力邊與力傳感器相連接,平衡后力傳感器的示數就是安培力的大小．在勻強磁場中也可以引入磁傳感器,讀出線框周圍的磁感應強度．借助傳感器的讀數可以實現定量探究安培力、電流、磁場之間的大小關系．

圖5 傳感器應用原理圖

文中介紹的4種方法各有優劣,可以在定量探究安培力大小的教學中,根據教學條件和教學設計選擇適合的,也可以將不同方法進行組合創造更適合的新方法．梳理定量研究安培力的基本實驗方法,結合課堂實際創新性地引入各種儀器和方法可以大大地提高課堂效率和實驗效果．