簡易安培力演示儀的制作與應用

馬少軍

(甘肅省臨洮縣第二中學，甘肅 臨洮 730500)

1 設計背景

安培力的教學是普通高中物理選修3-1中的重要內容,教材要求通過實驗探究認識安培力,得出影響安培力大小的因素．在實際教學中由于實驗器材的制約,只能進行基于問題猜想的粗略定性探究,對影響安培力大小的因素還沒有一個簡易有效的定量驗證的實驗器材,鑒于此,我們借鑒了電流天平原理,利用現有的常用實驗器材和材料制作了這套簡易安培力演示儀,它既可定性驗證或探究影響安培力大小的因素,也可在誤差容許的范圍內能夠較精確的測量磁感應強度的大小．

該演示儀的特點是結構簡單,一體化程度高．實驗操作簡便、靈活、快捷,實驗現象直觀、清晰、穩定,數據采集簡便,實驗機構反應靈敏,實驗結果成功率高,實驗結論嚴密準確．

2 簡易安培力演示儀結構及電原理圖

2.1 結構圖

2.2 電原理圖

3 科學方法和制作原理

如圖3所示,在矩形線圈通電前杠桿處于調平狀態后

圖3

M配gL配+m游gl游0=M磁gL磁.

(1)

線圈通電后磁鐵受到向下的安培力作用,僅通過將游碼調節到l游位置,使杠桿二次平衡,此時

M配gL配+m游gl游=M磁gL磁+F安L磁.

(2)

將(1)、(2)式聯立求解得

(3)

若令Δl=l游-l游0,則F安∝Δl.可見,如果用該裝置探究影響安培力大小的因素,只需測量出矩形線圈通電前后游碼力臂的變化量Δl即可．如果某物理量的變化與游碼力臂的變化量Δl成線性關系,則此物理量與安培力成正比．例如在探究影響安培力大小的因素時,若矩形線圈中的電流I增大,Δl增大;磁鐵的磁性B增強,Δl增大;磁場中通電導線L加長(蹄形磁鐵的寬度增大),Δl增大,則I、B、L與F安成正比,即

F安=BIL.

(4)

另外,由(3)、(4)聯立求得

(5)

可見只要測出游碼質量m游、線圈中的電流I、蹄形磁鐵的寬度L、磁鐵的力臂L磁以及游碼力臂的變化量Δl(矩形線圈通電前后杠桿兩次調平時游碼力臂的差值),用該裝置就能夠完全測量出磁鐵的磁感應強度的大小．

4 制作材料

65 cm×120 cm木工板1塊,5 cm×2 cm×70 cm木條3條,1.2 cm×1 cm蹄形磁鐵3塊, J0401演示電流表(0～2.5 A)1個,J1202-2學生電源1個, 54 cm×2 cm×0.4 cm 帶刻度木尺1條,10 g鋁制游標1個,砝碼1組,滑動變阻器1個,接線柱1對,液泡水平儀1支,導線若干．

5 制作方法

(1) 如圖1所示,制作帶平衡支架的木箱．

圖1 簡易安培力演示儀

(2) 將演示電流表.學生電源如圖1固定在木箱內．

(3) 如圖4將帶有液泡水平儀的平衡杠桿安裝在平衡支架上．

圖4

(4) 如圖5在平衡杠桿相應位置固定磁鐵,將線圈安裝在木箱支架的凹槽中固定．

圖5

(5) 按圖2所示的電原理圖連接各部件電路,平衡杠桿先調平后再通電調試．

圖2 電原理圖

(6) 二次調平后試驗儀安裝調試完成．

6 實驗操作步驟

6.1 研究電流對安培力的影響

(1) 將演示儀置于水平桌面,按圖示組裝好儀器．

(2) 調節配重砝碼和游碼,使杠桿平衡,記錄游碼所在處的力臂長度l0．

(3) 給矩形線圈通電．

(4) 調節滑動變阻器阻值,使電流表示數為I．

(5) 移動游碼使杠桿二次平衡．記錄游碼所在處的力臂長度l．

(6) 改變電流值,重復第(4)、(5)步．

6.2 研究磁感應強度對安培力的影響

(1) 將演示儀置于水平桌面,按圖示組裝好儀器．

(2) 調節配重砝碼和游碼,使杠桿平衡,記錄游碼所在處的力臂長度l0．

(3) 給矩形線圈通電．

(4) 調節滑動變阻器阻值,使電流表示數為I．

(5) 移動游碼使杠桿二次平衡,記錄游碼所在處的力臂長度l．

(6) 改變充磁機的充磁電流,對同一蹄形磁鐵重新充磁,改變磁鐵的磁感應強度后,重復第(5)步．

6.3 研究通電導線的長度對安培力的影響

(1) 將演示儀置于水平桌面,按圖示組裝好儀器．

(2) 調節配重砝碼和游碼,使杠桿平衡,記錄游碼所在處的力臂長度l0．

(3) 給矩形線圈通電．

(4) 調節滑動變阻器阻值,使電流表示數為I．

(5) 移動游碼使杠桿二次平衡,記錄游碼所在處的力臂長度l．

(6) 依次改換單個或2個、3個并排放置的同型號蹄形磁鐵組以改變磁場中單匝通電導線的長度L0(L0是蹄形磁鐵(組)的寬度,磁場中通電導線的長度L=NL0),重復第(2)步至第(5)步．

7 簡易安培力演示儀實驗舉例

7.1 探究矩形線圈中電流的變化對安培力大小的影響．

(1) 按照“研究電流對安培力的影響”的實驗操作步驟完成5次測量．

(2) 記錄數據.

矩形線圈未通電,將平衡杠桿調平后l游0=3.31 cm．調節滑動變阻器改變電流大小得到表1數據．

表1

利用表1數據作出添加趨勢線的ΔL-I圖像如圖6所示.

圖6

從以上數據及圖像可見,I∝Δl,又由于F安∝Δl,所以得出F安∝I,即矩形線圈中通過的電流強度的大小與其在磁場中所受的安培力成正比．

7.2 磁感應強度的測量

表2

用簡易安培力演示儀多次測得的磁感應強度大小的平均值為0.254 mT,與用朗威DISLab的磁傳感器精確測得的數值0.26 mT相比(圖7),兩者的誤差僅為5%左右．所以,簡易安培力演示儀在實際應用中的效果證明,該儀器能夠完全滿足普通中學物理實驗中定性驗證、探究影響安培力大小的因素和在沒有高精度磁傳感器設備的情況下較精確的測量磁感應強度大小的需要．

圖7 DISLab測量磁感應強度