自制便攜一體式安培力大小定量研究裝置

李 靜

(天津外國語大學附屬外國語學校 天津 300230)

物理是一門以觀察和實驗為基礎的學科，實驗教學是提高學習興趣、培養學生核心素養的重要途徑.然而，許多傳統實驗，由于裝置和實驗方法的欠缺，使得對一些物理問題的定量研究變得困難.如何進一步開發和利用常見的儀器，優化和完善傳統實驗值得教師深入研究[1].本文以“安培力大小的定量研究”這一課為例，闡述如何利用實驗室的資源對傳統實驗進行優化和完善.

人教版教材《物理·選修3-1》第三章中，對于安培力大小的研究給出了一個定性實驗[2]：將3塊相同的蹄形磁鐵并排放在桌面上，一根直導線水平懸掛在磁極之間，導線方向與磁感應強度方向垂直.當導線中通有電流時，會發現導線擺動一個角度，通過擺角大小可以定性比較安培力的大小.而在這個定性實驗之后直接給出了定量的結論，即通電導線與磁場方向垂直時F=BIL.定性實驗與定量結論之間的認知差距，為學生留下了思考和進一步探究的空間.此外，若導線與磁場方向不垂直，而是成一定角度，安培力大小又會如何變化，教材對此并未進行深入討論.基于上述原因，筆者對實驗室中的常見儀器進行開發和再利用，對傳統安培力大小的探究實驗進行優化和完善，設計并制作了安培力大小定量研究裝置.

1 實驗器材

如圖1(a)所示，自制的安培力大小定量研究裝置由磁鐵、磁鐵支架、導軌、電子秤、角度盤、3個150匝8 cm×18 cm線圈(每個線圈在磁場中有效長度為12 m)、線圈支架、線圈電流控制電路構成.其中線圈電流控制電路由電池、可變電阻、數顯電流表、開關、導線組成，放置于白色容器內.其電路的內部構造和電路圖如圖1(b),(c)所示，通過開關1和開關2的通斷，可控制接入電路的線圈個數.

圖1 裝置構造原理圖

2 實驗原理

通電導線在磁場中會受到安培力的作用，根據左手定則可知，安培力方向垂直于磁場方向與電流方向所確定的平面.為了利用電子秤測量安培力的大小，需使安培力的方向沿豎直方向，通過電子秤顯示的質量變化可計算得到導線所受安培力大小.

3 實驗方法

影響安培力大小的因素較多，包括磁感應強度B，電流I，導線長度L以及電流與磁場夾角θ.在傳統安培力研究實驗中，少有實驗裝置能簡便實現所有變量的定量研究[3,4].本實驗中，通過頂端的導軌，可改變兩磁極之間磁場的磁感應強度B，其數值可利用傳感器進行標定；調節可變電阻，可改變通過線圈的電流I，其數值可由電流表讀出；轉動電子秤上的轉盤，可實現電流與磁場夾角θ的調節，其角度值可通過角度盤讀出；通過兩個控制開關的通斷，可調節3個并聯線圈的接入個數，實現導線長度L的調節.因此該實驗裝置能簡單方便地實現對所有變量的定量研究.

3.1 只改變磁感應強度B

將線圈電流控制電路與線圈整體固定并置于電子秤上，使線圈上邊框置于磁鐵兩磁極之間的勻強磁場區域.打開電子秤，此時顯示屏會顯示其上所放置線圈的質量，將其歸零.按下總開關，接通控制電路電源，由于通電線圈受到安培力作用，會使電子秤所受壓力發生變化，通過電子秤示數可以計算出安培力的大小.如圖2(a)～(c)所示，依次改變兩磁極之間的距離，分別記錄不同距離下電子秤的示數，利用傳感器對不同距離下的磁感應強度進行標定，從而可得到安培力大小與磁感應強度之間的關系.如圖2(d)、(e)所示，將數據輸入到計算機中，對數據進行擬合處理可得：安培力大小與磁感應強度成正比.

圖2 安培力大小與磁感應強度關系的研究

3.2 只改變電流I

如圖3(a)～(c)所示，保持兩磁極之間的距離不變，通過調節線圈電流控制電路中的可變電阻，改變流過線圈的電流，依次記錄不同電流下電子秤的示數，并計算安培力的大小.如圖3(d)、(e)所示，將數據輸入到表格當中，繪制圖像并進行擬合可知：安培力大小與導線中的電流成正比.

圖3 安培力大小與電流關系的研究

3.3 只改變導線長度L

如圖4(a)、(b)所示，按下總開關，保持開關1和2處于斷開狀態，此時電路中連入一個線圈，其有效長度為12 m；再按下開關1，有兩個線圈連入電路，其有效長度為24 m；再按下開關2，有3個線圈連入電路，其有效長度為36 m.通過調節可變電阻，使得3種情況下電路中的電流保持不變，并記錄電子秤示數.實驗結果顯示，保持其余條件不變的情況下，導線長度為12 m時，計算得到安培力大小為0.013 4 N，導線長度為24 m時，安培力大小為0.027 N，導線長度為36 m時，安培力大小為0.044 2 N，滿足1∶2∶3的關系.將得到的數據繪制成圖，如圖4(c)所示，可得安培力大小與導線在磁場中的長度成正比.

圖4 安培力大小與導線長度關系的研究

3.4 只改變夾角θ

如圖5(a)～(d)所示，轉動電子秤上的轉盤，改變線圈電流與磁場夾角，記錄不同夾角下電子秤的示數并計算安培力.如圖5(e)、(f)所示，對所得數據進行擬合處理可得：安培力大小與夾角的正弦值成正比.此處也可讓學生繪制F-sinθ圖像，體會一次函數在實驗中的重要作用.

圖5 安培力大小與角度關系的研究

綜上所述，安培力F與磁感應強度B，電流I，導線長度L以及電流與磁場夾角θ的正弦值成正比，得出其表達式為

F=BILsinθ

4 實驗效果評價

本實驗采用自制的安培力大小定量研究裝置實現了安培力與磁感應強度B，電流I，導線長度L以及電流與磁場夾角θ的定量關系的探究.實驗中所采用的儀器均為實驗室中的常見儀器，操作簡單，實驗現象一目了然，所得數據正比關系明顯，誤差較小，有利于學生理解安培力大小的影響因素.且本實驗有效地避免了外置導線對實驗結果的影響，實現了線圈的自由移動.此外，本實驗裝置簡潔，無需任何外置電源，便于攜帶.

基于本實驗的課堂教學，通過對比分析傳統定性實驗和創新定量實驗，鼓勵學生思考并提出改進方案，動手實踐自主探究，有利于學生完成物理思維的構建和核心素養的養成.