運用phyphox程序的通電螺線管定量探究實驗

潘軍良

(浙江省慈溪市周巷中學(xué),浙江寧波 315300)

信息技術(shù)正在改變學(xué)校的教育文化,改變教師的教學(xué)方式.新的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對于信息技術(shù)與物理教學(xué)的融合提出了建議:物理教學(xué)要積極利用已有數(shù)字媒體,主動開發(fā)適合教學(xué)的信息產(chǎn)品,拓寬物理學(xué)習(xí)的途徑,促進物理教學(xué)改革.另一方面,物理實驗是學(xué)生探索物理規(guī)律、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要途徑.新課標(biāo)倡導(dǎo)教師利用身邊物品改進或開發(fā)新實驗,提倡利用數(shù)字實驗系統(tǒng)克服傳統(tǒng)實驗測量精度及效率不高的缺點,鼓勵學(xué)生在課外以獨立或小組合作方式,開展實驗研究.為此,筆者自制螺線管,借助智能手機的phyphox程序設(shè)計了定量測量磁感應(yīng)強度的實驗,幫助學(xué)生加深對電生磁的理解,親歷動手做實驗的過程,更好地培養(yǎng)科學(xué)探究等核心素養(yǎng).

1 實驗原理

phyphox程序是基于智能手機所含有的傳感器而創(chuàng)建的輔助物理實驗工具箱,其中的磁力傳感器可精確測定手機傳感器所處位置的磁感應(yīng)強度,且磁力計可以分別單獨測量x、y、z3個軸向的磁感應(yīng)強度,在設(shè)法排除地磁場干擾后,能夠精確地測出通電螺線管周圍空間某點的磁感應(yīng)強度,如圖1所示.

圖1

同一通電螺線管周圍的磁場強弱分布與空間位置有關(guān).不同通電螺線管的磁性強弱主要與通過的電流大小、線圈的大小、匝數(shù)和有無鐵芯有關(guān).實驗時用控制變量法對上述4個因素進行探究.為了進行定量對比,均選取了螺線管軸線上與線圈等距離的點進行測量.

2 實驗準(zhǔn)備

用同種漆包線繞絕緣材料自制螺線管,且繞向一致,與邊緣距離相同,分別為螺線管Ⅰ(直徑16 mm、長110 mm、250匝)、螺線管Ⅱ(直徑16 mm、長110 mm、500匝)、螺線管Ⅲ(直徑32 mm、長110 mm、250匝)、螺線管Ⅳ(直徑86 mm、長110 mm、250匝),如圖2所示.

圖2

用覆有白紙的厚度不一的書本做底座,在其上標(biāo)記好手機及螺線管的軸心位置.

3 實驗步驟與數(shù)據(jù)記錄

(1)打開手機中phyphox程序的磁力計,調(diào)整手機及書本位置,進行y軸磁感應(yīng)強度的校零,并固定位置保持不變.

(2)將學(xué)生電源、電流表、滑動變阻器、開關(guān)按照如圖3所示依次串聯(lián),并使這些儀器盡量遠離手機.

圖3

(3)探究通電螺線管磁場強弱與通過的電流強度、匝數(shù)及線圈直徑的關(guān)系.

①將螺線管Ⅰ單獨連入電路,使螺線管軸心位置與手機的軸心位置對齊.調(diào)節(jié)輸入電壓和滑動變阻器,使通過螺線管的電流分別為0.50 A、0.75 A、1.00 A、1.25 A、1.50 A,記錄對應(yīng)的圖像和磁感應(yīng)強度,如圖4和表1所示.

表1 250匝、16 mm螺線管Ⅰ實驗數(shù)據(jù)

圖4

②將螺線管Ⅱ單獨連入電路,重復(fù)實驗步驟(1)的操作,記錄對應(yīng)的圖像和磁感應(yīng)強度,如圖5和表2所示.

表2 500匝、16 mm螺線管Ⅱ?qū)嶒灁?shù)據(jù)

圖5

③將螺線管Ⅲ單獨連入電路,重復(fù)實驗步驟(1)的操作,記錄對應(yīng)的圖像和磁感應(yīng)強度,如圖6和表3所示.

表3 250匝、32 mm螺線管Ⅲ實驗數(shù)據(jù)

圖6

④將螺線管Ⅳ單獨連入電路,重復(fù)實驗步驟(1)的操作,記錄對應(yīng)的圖像和磁感應(yīng)強度,如圖7和表4所示(因?qū)Ь€電阻較大,測量電流可從0.25 A開始).

表4 250匝、86 mm螺線管Ⅳ實驗數(shù)據(jù)

圖7

(4)探究通電螺線管磁感應(yīng)強度與鐵芯的關(guān)系.

①將螺線管Ⅰ連入電路,使螺線管軸心位置與手機的軸心位置對齊(如圖8).調(diào)節(jié)滑動變阻器,使通過螺線管的電流分別為0.50 A和1.00 A,記錄有無鐵芯時對應(yīng)的圖像和磁感應(yīng)強度,如圖9和表5所示.

表5 250匝、16 mm螺線管Ⅰ鐵芯實驗數(shù)據(jù)

圖8

圖9

②將螺線管Ⅱ連入電路,使螺線管軸心位置與手機的軸心位置對齊.調(diào)節(jié)滑動變阻器,使通過螺線管的電流分別為0.50 A和1.00 A,記錄有無鐵芯時對應(yīng)的圖像和磁感應(yīng)強度,如圖10和表6所示.

表6 500匝、16 mm螺線管Ⅱ鐵芯實驗數(shù)據(jù)

圖10

4 數(shù)據(jù)處理與分析

(1)在計算機上,以磁感應(yīng)強度為縱坐標(biāo),以電流強度為橫坐標(biāo),利用實驗步驟(3)中所得到的4組實驗數(shù)據(jù),描繪出B-I圖像(如圖11所示).

圖11

(2)數(shù)據(jù)分析.我們先從理論上來分析通電螺線管內(nèi)部的磁感應(yīng)強度與哪些因素有關(guān).如圖12所示,當(dāng)密繞的螺線管中的電流強度為I時,其中心軸線上某一位置P點的磁感應(yīng)強度可表示為B=μ0nI(cosβ2-cosβ1),其中μ0為真空磁導(dǎo)率,n為螺線管單位長度上的匝數(shù),β1、β2分別為P點到螺線管兩端矢徑與y軸的夾角.當(dāng)螺線管無限長時,β1=π,β2=0,則B=μ0nI.

從圖11中可以發(fā)現(xiàn),4組實驗數(shù)據(jù)都能連成一條傾斜的直線,表明通電螺線管的磁感應(yīng)強度與通過的電流成正比,實驗結(jié)果與理論基本一致.

利用螺線管Ⅰ、Ⅱ做實驗的兩組數(shù)據(jù)相比較可知,通電螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強度與其單位長度上的線圈匝數(shù)n成正比,符合理論上的預(yù)期.

利用螺線管Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ做實驗的3組數(shù)據(jù)相比較可知,僅線圈直徑不一樣的螺線管進行通電實驗時,螺線管中的磁感應(yīng)強度與線圈直徑的平方近似成正比.

再分別對實驗步驟(3)(4)所得的數(shù)據(jù)進行分析研究,可得到如圖13所示兩張圖表.

圖13

在給通電螺線管插入了鐵芯后,磁感應(yīng)強度會明顯增強,增幅高達6倍左右.實驗中用到的鐵芯長80 mm、直徑11 mm,兩個螺線管均為長110 mm、直徑16 mm,僅匝數(shù)不同.

5 反思與總結(jié)

用手機phyphox程序中的磁力計定量檢測通電螺線管的磁場,且先對y軸的磁場進行校零,排除了地磁場的干擾,可精確地測出螺線管的磁感應(yīng)強度.通電螺線管的磁場分布與空間位置有關(guān),實驗數(shù)據(jù)的采集都在同一軸心位置處,實驗中固定了手機擺放位置,標(biāo)注出了螺線管的軸心位置,提高了實驗的準(zhǔn)確度.實驗中還應(yīng)注意,若線圈通電時間過長、電流過大,會引起線圈電阻的變化,因此每次測量后應(yīng)立即斷開開關(guān),且測量時間不宜過長.實驗時應(yīng)用全木桌子,遠離了金屬物品,且電流表、滑動變阻器等也應(yīng)盡量遠離手機,排除干擾,減小誤差.

不同手機中磁場傳感器的具體位置不同,這樣也會在測量中造成一定的誤差.繞制的螺線管規(guī)格種類不夠多,鐵芯也只有一個,不能通過更多組的實驗得出更全面的結(jié)論,留待學(xué)生進行改進探索.

總之,運用phyphox程序來探究影響通電螺線管磁性強弱的因素,豐富了學(xué)生開展課題研究的內(nèi)容,把探究活動引向多樣化.利用智能手機等日常物品做實驗具有方便、直觀、準(zhǔn)確等特點,開發(fā)的相關(guān)實驗成本低、質(zhì)量高,能夠激發(fā)學(xué)生研究的興趣.學(xué)生經(jīng)歷本實驗的探究不僅能掌握了解通電螺線管的磁場特點,更重要的是能夠培養(yǎng)設(shè)計方案、收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論等實驗?zāi)芰?使學(xué)生在知識獲得與能力培養(yǎng)方面處于一種動態(tài)平衡、良性循環(huán)的狀態(tài).