利用傳感器定量探究安培力實驗的創新設計

戴穎昱 殷位海

(南京市秦淮中學,江蘇 南京 211100)

1 實驗設計背景

安培力的公式是高中物理中的一個重要規律.人教版新教材普通高中物理必修3中,安培力大小的探究實驗(圖1),通過觀察通電導線擺動角度的大小來定性比較導線受力的大小,同時也只能定性探究安培力與電流大小和導線長度的關系,無法改變磁場與通電導線的夾角.為了使得實驗從定性過渡到定量,更符合學生的認知規律,在教學過程中,利用力傳感器、電流傳感器和磁傳感器設計了一個可以精確定量探究安培力大小的實驗裝置.

圖1

2 實驗設計過程

2.1 實驗目的

定量探究安培力大小的影響因素.

2.2 實驗器材和裝置

實驗裝置的基本構造如圖2所示,用兩塊面積較大的強磁鐵放置在旋轉平臺上,在磁鐵中央形成一個勻強磁場,旋轉平臺可以360度旋轉,改變磁場的方向.將矩形線圈的上邊框放置在磁鐵的中央部位,并在線圈上邊安放磁傳感器,下邊框在磁場區域之外,線圈通過type c接口與內部的電源、電流傳感器以及電位器相連,矩形線圈放置在有力傳感器相連的支撐架上,通過線圈對支撐架的壓力的變化測量安培力的大小.相應的力、電流和磁感應強度的測量數據通過液晶屏顯示.在定位器的下方有清零按鈕與之相連,可以對力傳感器進行調零操作.

圖2 實驗裝置圖

2.3 實驗原理(圖3)

圖3 原理圖

當矩形線圈處在磁場中通以電流時,線圈下邊所處的磁場非常弱,所受的安培力忽略不計,左右兩邊框所受的安培力抵消,所以力傳感器能測量線圈上邊所受的安培力(線圈上邊所受的安培力沿豎直方向,是n根導線所受安培力的總和).當電流為0,安培力為0,只受重力時進行力傳感器的調零(力傳感器安裝在支撐架下面),當安培力變化時,矩形線圈對支撐臺架的壓力的變化量就等于安培力F的大小.通過電位器可以調節線圈中電流,用電流傳感器測量電流I大小,旋轉臺可以改變磁場方向和通電導線的夾角,通過旋轉平臺上的刻度值直接讀出角度θ,通過更換放置不同的矩形線圈可以改變導線的長度L,最后通過控制變量法定量地探究安培力與電流I、和通電導線長L、以及磁場與通電導線夾角θ的關系.

2.4 實驗步驟與數據處理

(1) 調整旋轉平臺,保持線圈上邊與磁場方向垂直,對力傳感器調零,然后逐步調節定位器增大通過線圈的電流強度,探究安培力F和電流I的關系.

(2) 保持電流強度和導線長度不變,逐漸改變旋轉平臺的方向,探究安培力F和通電導線與磁場方向的夾角θ的關系.

(3) 在保持電流強度一定,線圈與磁場方向垂直的情況下,換用不同的線圈做實驗,從而改變通電導線的長度,探究安培力F和通電導線長度L的關系.

將3組實驗數據輸入電腦Excel表格,分別作出F-I,F-θ(sinθ)和F-L關系圖像,得出相應的函數關系,如圖4-7所示.

圖4 F-I關系

圖5 F-θ關系

圖6 F-sinθ關系

圖7 F-L關系

(4) 讀取任意一組安培力F(實際讀取的安培力要除以線圈的圈數得到一根通電導線受到的安培力F)、電流強度I、導線的長度L、及磁感應強度B、通電導線與磁場方向的夾角θ的實驗數據,驗證安培力的公式F=BILsinθ.

2.5 實驗結論

通過精確地測量可以得到安培力大小的關系式F=BILsinθ.通過多組實驗數據可以看出:本實驗相對誤差非常小,能夠精準地達到實驗目標的要求,由于采用傳感器采集數據完成,所以完成該實驗時間只需要10分鐘左右.

3 針對該實驗設計的評價與總結

(1) 該實驗裝置利用力、電流、磁3種傳感器協同工作,能夠在保證一定測量精度的情況下,完成安培力影響因素的定量測量與探究.由于實驗精度要求較高,因此在實驗前需要對實驗裝置進行細致的安裝、調試,并對各個傳感器進行調零操作,以確保實驗的成功.

(2) 該裝置的實驗數據目前采用液晶顯示的方式呈現,數據采集需要手動記錄逐次的實驗數據,再錄入電腦中進行處理,后期改進可以考慮利用軟件自動采集力、電流、磁場3個傳感器的實驗數據,并進行繪圖分析.這樣可以提高實驗的效率,也能更好的體現數字化實驗的優勢.

(3) 由于該裝置實現了對電流大小,安培力大小的定量測量,還可以設計用來進行磁感應強度的定義式的探究性教學.通過測量發現當通電導線垂直于磁場方向時，F與I和L的乘積成正比關系,從而可以利用比值定義法定義磁感應強度.進而通過B=F/IL計算出相應的磁感應強度的大小,同時也可以進一步利用磁傳感器對由定義式計算的結果進行驗證,從而加深學生對磁感應強度的概念理解.

(4) 物理是以一門實驗為基礎的學科,在實際的物理教學中,對于一些抽象的物理概念和重要的物理規律,傳統的實驗手段往往只能進行定性的探討,將數字化實驗引入課堂可以實現對數據的精準快速測量及處理,為設計定量探究物理概念和規律的教學提供了強有力的手段.同時讓學生在課堂上體會到科學發現與探究的無窮樂趣,實現了理論與實驗的完美結合,從而可以激發學生學習興趣,培養學生科學思維,提升學生科學素養.