“探究磁感應強度大小”的實驗及改進

馬漢軍

(安徽省鳳陽中學 安徽 滁州 233100)

磁感應強度是高中物理電磁學中很重要的一個概念，人教版教材《物理·選修3-1》第三章第2節中僅提出了通電導線在磁場中受力的定性探究實驗方案[1],實驗示意圖如圖1所示.

圖1 在勻強磁場中探究影響通電導線受力的因素

以下內容，將詳細介紹自制定量探究儀及創新實驗方案.

1 儀器設計思路和工作原理

1.1 儀器設計思路

定量探究實驗對安培力的精確測量要求很高，然而現有的一些探究裝置存在著設備凌亂、操作繁瑣以及數據不精準等問題.針對這些問題，筆者結合新課標相關要求，創新了實驗方案，并利用生活中常用器件自制了定量探究儀，實現了磁感應強度大小的定量探究.定量探究儀采用集成化、模塊化一體式精準測量的設計思路.它既可使用220 V外部交流電源也可使用內置直流電源，且選用LM317調壓模塊代替了傳統的滑動變阻器，電路圖如圖2所示.

圖2 探究儀電路圖

1.2 儀器特點及工作原理

如圖3所示，該儀器采用模塊化安裝，具備集成度高、測量精準、擴展性強、操作方便等優點.制作材料利用了一些廢舊器件和材料，例如使用了老式電視機中的廢舊變壓器，利用了裝修廢料免漆板等生活中的廢棄材料.儀器采用精度0.01 g金銀專用電子秤測量安培力F的大小，采用精度0.001 A數字電流表測量電流強度I的大小.

圖3 自制安培力探究儀和功能縮略圖

探究過程中，將自制多抽頭線圈上邊框垂直勻強磁場放置，下邊框放置在電子秤的壓力傳感器上，通電后上邊框受到豎直方向上的安培力，力值則通過儀器面板上的電子秤顯示模塊直觀顯示出來.

1.3 創新改進點

(1)采用LM317調壓模塊代替傳統的滑動變阻器，通過調節精密多圈電位器，使調節過程中電流變化連續、穩定， 測量更加精準.

(2)所使用的金銀專用電子秤精度為0.01 g，且具備清零功能.通過拆解再組裝，將壓力傳感器模塊與數字顯示模塊分離，將其顯示模塊與數字電流表模塊(精度0.001 A)集成安裝在豎直面板上，使數據的讀取更加直觀、方便.

(3)自制長方形木質線圈框可繞制更多匝數的漆包線圈，從而顯著增大所受安培力.采用插拔式的模塊化連接，并通過多擋切換開關使線圈匝數可在50匝、100匝、150匝、200匝、250匝等多擋中快速切換，使探究過程更加方便、簡單.

(4)使用6條2排條形磁鐵代替蹄形磁鐵提供勻強磁場，磁極間距可通過兩個螺栓進行調節，從而改變磁場強弱，可定性探究安培力大小與磁感應強度的關系.

(5)底座裝有4支可調節支腿，配合萬向水平儀調節底座的水平及面板的豎直.內部集成有電池組和變壓器組成的雙電源，可使用內部電池組，也可使用外部220 V交流電源，同時提供直流輸出端口，可作為可調直流電源使用.上述集成安裝，使該儀器具備較高的適應性及擴展性.

2 實驗原理和實驗方法

2.1 實驗原理

采用精度0.01 g金銀專用電子秤測量安培力F的大小，采用精度0.001 A數字電流表測量電流強度I的大小.實驗采用控制變量法，進行以下探究：

(1)控制線圈匝數不變，改變電流I大小，定量探究安培力大小F與電流強度I的關系.

(2)控制電流大小不變，改變線圈匝數(通電導線長度)，定量探究安培力大小F與通電導線長度L的關系.

2.2 實驗方法

(1)線圈垂直于磁場放置在電子秤壓力傳感器上，將線圈匝數切換至100匝(也可為其他匝數)，打開電子秤顯示屏，點擊“清零”按鈕.

(2)打開數字電流表，并接通電源開關(可使用內部電池，也可連接外部220 V交流電).

(3)保持線圈匝數不變，調節電位器旋鈕使電流表示數為0.050 A，在表1中記錄電子秤示數.繼續調節電流的大小為0.100 A，并記錄電子秤示數，再以0.050 A遞增電流并記錄電子秤示數(g取10 N·kg-1).

表1 探究安培力大小與電流強度的定量關系

(4)關閉電源，將線圈匝數切換至50匝，點擊電子秤的“清零”按鈕.

(5)接通電源并調節電位器旋鈕，使電流表示數為0.100 A(也可為其他電流值)，在表2中記錄電子秤示數.

(6)關閉電源，將線圈匝數切換至100匝并清零，接通電源并調節電流大小仍為0.100 A，在表2中記錄電子秤示數.再以50匝遞增線圈匝數并保持電流不變，重復操作并記錄電子秤示數在表2中(g取10 N·kg-1).

表2 探究安培力大小與導線長度(線圈匝數)的定量關系

3 數據處理與實驗結果

如圖4所示，采用圖像法處理數據并得出結論：通電導線長度(線圈匝數)一定時，F∝I;電流大小一定時F∝L.

(a)

(b)

(a)F-I關系

(b)F-L關系

(c)F-IL關系

4 結論

該實驗采用自制探究儀實現了精準的定量探究，得出了安培力大小F與電流強度I以及安培力大小F與通電導線長度L成正比的實驗結論，最終得出磁感應強度的定義式.

采用該實驗方案，可讓學生在探究過程中獲取新知并對磁感應強度概念的理解更加深刻，極大地激發了學生學習物理的興趣，培養了學生的創新能力與協作能力.