用電流天平測安培力與磁感應強度的創新演示實驗

馮永慶 殷竹花

摘要：在粵教版、人教版等多種版本的中學物理教材中，探究通電導線在磁場中所受安培力的實驗均為定性實驗，用教材提供的方法很難實現定量研究，且教材中也沒有測量磁感應強度的實驗。為解決上述問題，我們自制了一套新的創新實驗演示裝置，即利用自制矩形線圈來研究其所受安培力與所處位置的磁感應強度，這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與思考均有積極意義。

關鍵詞：安培力；磁感應強度；電流天平；磁感應強度表

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A文章編號：1992-7711（2020）03-0112

一、實驗背景

在人教社2010年版的普通高中物理選修3-1教材中，探究通電導線在磁場中所受安培力的影響因素的演示實驗是這樣做的：將一根直導線水平懸掛在三塊馬蹄形磁鐵間，導線與磁場方向垂直。當電流通過時，導線擺動一個角度，通過擺角大小定性研究安培力大小。但教材并未給出測量擺角大小的方法，也未給出擺角大小與安培力的具體關系。事實上，導線擺動時受力會發生變化，其所受安培力與擺角關系復雜且難以描述，因此該實驗只能定性為探究安培力的影響因素。

另外，磁感應強度是電磁學中一個非常重要的物理量，它高度抽象。教師開展磁感應強度的教學設計時，往往側重于定性描述，而在定量分析方面有所欠缺。這并不利于學生深化理解磁感應強度這一物理量。

針對上述問題，筆者設計了利用電流天平基本原理測量線圈所受安培力及其所處位置磁感應強度的實驗。

二、裝置簡說與原理本實驗裝置圖

1.改裝杠桿天平為電流天平測安培力

筆者設置電流天平，使線圈下邊框與磁場方向垂直，在杠桿另一端掛上重物，調節天平使其平衡。當電流通過導線時，由于線框側受安培力作用，杠桿失去平衡。這時，在天平一側掛上適當的鉤碼m1并通過調節鉤碼位置使杠桿重新平衡。依據力矩平衡條件：F安L0=m1gL1（L0是線圈到支點的距離，本實驗取20cm；m1是鉤碼質量，本實驗m1分別取20g與50g；g是當地重力加速度，本實驗取9.78m/s2）。

因B與I是非線性關系，所以磁感應強度表表盤刻度不均勻，讀數誤差較大，更精確的讀數可以通過下表查知。

3.線圈

為減小線圈上邊框所處位置的磁感應強度對實驗測量結果引起的誤差，我們用直徑為3.5mm的銅線繞制9.0cm×20cm的250匝矩形線圈，線圈的長邊越長對實驗的誤差越小。為使實驗操作方便，本實驗線圈的長邊取20cm。

4.水平平衡指示裝置

基于本實驗的杠桿力矩平衡原理，我們在杠桿中心位置處固定了長指針，使指針與杠桿垂直，并在對應位置懸掛了重錘線。調節天平，當指針與重錘線重合時，杠桿處于水平平衡，提高了實驗的精度。

三、實驗演示與步驟

1.利用本實驗裝置測安培力的實驗演示與步驟

（1）將線圈和重物分別掛于天平左右兩端，使天平平衡，記下線圈到支點O的距離L0=20cm；

（2）給線圈通以電流I，并使其短邊L2=9cm處于勻強磁場B中；

（3）若線圈所受安培力方向向下，則在天平右端掛一質量為m1= 20g的鉤碼，通過調節鉤碼位置，使天平重新平衡，在電流天平上讀出此時線圈所受安培力的大小；

（4）若線圈所受安培力方向向上，則在天平左端掛一質量為m1= 20g的鉤碼，通過調節鉤碼位置，使天平重新平衡，在電流天平上讀出此時線圈所受安培力的大小；

（5）保持線圈所處位置磁場不變，改變通電線圈電流大小，重復步驟2、3（或4），可分別讀出線圈所受安培力大小；

（6）若線圈所受安培力較大，20g鉤碼可換為50g鉤碼，同樣可在電流天平上讀出安培力的值。

2.利用本實驗裝置測磁感應強度的實驗演示與步驟

（1）在天平右端固定位置L1=18cm處懸掛20g鉤碼，天平失去平衡；

（2）給線圈加磁場后，通過調節電流大小，使天平重新平衡，在磁感應強度表（或查表）讀出線圈所處位置磁感應強度大小；

（3）換用不同的磁鐵，改變線圈所處位置的磁感應強度，重復步驟2，在磁感應強度（或查表）讀出線圈所處位置磁感應強度大小；

（4）如果線圈所處位置的磁場較強，20g鉤碼可換為50g鉤碼，同樣可在磁感應強度表（或查表）得到磁感應強度值。

四、數據測量與誤差

1.安培力測量

改變通電線圈電流大小，可使線圈受到不同的安培力，在電流天平上讀出線圈所受安培力的大小，列出表1記錄有關數據。

2.磁感應強度測量

換用不同的磁鐵，可使線圈處于不同的磁場中，在磁感應強度表（或查表）讀出線圈所處位置磁感應強度大小，并用精密儀器高斯計測量線圈處于不同磁場時的磁感應強度大小，列出表2記錄有關數據。

五、實驗創新與意義

這款用電流天平測安培力與磁感應強度的創新實驗演示裝置主要有以下幾點創新之處。

1.利用杠桿二次平衡原理，將抽象的安培力用“鉤碼”的重力“替代”，在電流天平上可直觀準確地讀出線圈所受安培力，增大了實驗的可見度與可操作性，實驗現象明顯，演示效果好。

2.在磁感應強度表上可直接讀出線圈所處位置的磁感應強度大小，且測量結果經與精密儀器高斯計測量值比較，誤差值在5%以內，在實驗誤差要求范圍內。

3.此自制實驗裝置利用杠桿力矩平衡原理，定量探究了線圈所受安培力與所處位置的磁感應強度。

4.此自制實驗儀器取材便利，制作簡便，應用于物理課堂實驗教學中具有啟發性、探究性，既激發了學生動手制作教具的興趣，又培養了學生分析解決問題的能力，更好的體現了物理學科核心素養的教學理念。

六、教學效果與反思

本實驗裝置針對課本演示實驗的不足，用生活與實驗室唾手可得的材料制作而成，方法簡單、容易掌握，操作性強。

本實驗裝置制作所使用的數據，是筆者根據制作的材料按實際情況而定的，讀者在參考制作時可視自己的實際情況進行修改，如線圈的匝數、懸掛鉤碼的質量與位置等。

參考文獻：

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（作者單位：廣東省梅縣東山中學514017）