新型安培力定量實驗探究裝置

康良溪

研究背景

安培力在生產(chǎn)生活中具有廣泛的應(yīng)用，是高中物理的重點學(xué)習(xí)內(nèi)容，而探究安培力是高中物理教學(xué)中的一個重要實驗。由于缺乏配套、直觀的定量儀器，現(xiàn)有安培力演示器材的演示效果并不理想，教材演示難以完成，很難讓學(xué)生對安培力的定量關(guān)系（F=I lB sinθ ）有深刻的認(rèn)識，現(xiàn)實中普遍存在教師灌輸、學(xué)生死背公式的現(xiàn)象?？梢哉f，探究安培力實驗是個疑難實驗。

研究目標(biāo)

設(shè)計研制新型裝置，實現(xiàn)安培力公式F=I lB sinθ 內(nèi)容（當(dāng)B 、l、θ 不變時，F(xiàn) ∝ I ; 當(dāng)I 、l、θ 不變時，F(xiàn) ∝B;當(dāng)B 、I 、θ 不變時，F(xiàn) ∝ l;當(dāng)B 、I 、l 不變時，F(xiàn) 與θ的關(guān)系、F 和sinθ 的關(guān)系）的定量實驗探究。

F 與θ 的關(guān)系：設(shè)計專用軟件，直接擬合出正弦曲線圖像（包括當(dāng)B ∥ I 時，F(xiàn)=0 最小;當(dāng)B ⊥I 時，F(xiàn)=I lB 最大）。

F 和sinθ 的關(guān)系： 設(shè)計專用軟件，直接擬合出F ∝ sinθ 正比關(guān)系圖像（軟件直接算出sinθ 值，擬合出F 與sinθ 關(guān)系的一次函數(shù)圖像）。

研制過程

實驗原理與儀器裝置圖見圖1和圖2。

器材

五抽頭線圈、電磁鐵、旋轉(zhuǎn)圓盤、可調(diào)電源、50Ω 滑動變阻器、電腦、數(shù)字采集器、電流傳感器、力傳感器、角度傳感器、導(dǎo)線若干、鐵架臺、夾子等。

制作

旋轉(zhuǎn)圓盤。旋轉(zhuǎn)支架選擇小型不銹鋼方管，形狀如圖3 所示，有4 只腳，上方平面支架，尺寸依所選電磁鐵大小而定。圓盤為木質(zhì)材料，板厚約1cm，直徑依所選電磁鐵大小而定。軸承用以連接圓盤、旋轉(zhuǎn)支架與角度傳感器。

線圈。線圈采用抽頭設(shè)計的方法，先用薄亞克力板做成一個方形的線圈支架，尺寸約6cm×13cm，當(dāng)線圈繞了100 匝、200 匝、300 匝、400 匝時各引出1 個接線端，頭尾共5 個抽頭，如圖4 所示。

選擇電磁鐵（圖5）和角度傳感器（ 圖6）。

創(chuàng)新點

自制旋轉(zhuǎn)支架和組成轉(zhuǎn)動圓盤，利用角度傳感器、設(shè)計專用軟件直接記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)①探究F 與θ 的關(guān)系——軟件直接擬合出F 與θ 的正弦曲線圖像，從圖像直觀看出F ∝ sinθ ，比描點看F與sinθ 正比的一次函數(shù)圖像更直觀、更全面;②探究F 與sinθ 的關(guān)系——設(shè)計軟件直接算出sinθ值，擬合出F 與sinθ 關(guān)系的一次函數(shù)圖像。

自制五抽頭線圈， 當(dāng)B 、I 、θ 不變時，實現(xiàn)定量探究F ∝ l 及F ∝I 。

選擇勻強(qiáng)電流磁場，當(dāng)I 、l、θ 不變時，實現(xiàn)定量探究F ∝B 。

當(dāng)B 、l、θ 不變時，定量探究F ∝I 。

本儀器裝置實現(xiàn)定量、直觀、快捷地探究安培力大小與各物理量關(guān)系，具有精確度高（定量探究安培力大?。?、研究面廣（可探究安培力與更多相關(guān)物理量的關(guān)系）、科學(xué)直觀（常規(guī)儀器與數(shù)字傳感器有機(jī)整合）等特點，有效解決了安培力教學(xué)中的難點。有了上面這套器材，教師講解安培力的關(guān)系時就非常輕松。同時，學(xué)生對于實驗結(jié)果有了感性認(rèn)識，有助于更好地理解安培力有關(guān)定律。

專家評語

該儀器裝置實現(xiàn)了定量、直觀、快捷地探究安培力大小與各物理量之間的關(guān)系，解決了安培力教學(xué)中的難點。該項目選題新穎、原理科學(xué)、概念清晰、構(gòu)思巧妙、設(shè)計合理，對傳統(tǒng)方法有突破，具有實質(zhì)性創(chuàng)新。作品實用性強(qiáng)、效果顯著，具有示范推廣價值。希望該項目在工藝方面作出改進(jìn)和提升。