“探究安培力影響因素”裝置設計制作

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A

在高中物理教學中，安培力是指通電導線在磁場中所受的力，是電磁學模塊中的核心概念，幫助學生清晰地理解和掌握安培力及其影響因素，是高中物理教學的重要目標之一。盡管不同版本的教材提供了多種實驗設置來幫助學生理解安培力，但多為定性觀察。筆者設計并制作了一種創新的實驗裝置，旨在通過定量探究安培力及其影響因素，加深學生對安培力相關內容的理解。該實驗裝置通過改進磁體系統、磁感應強度大小調控系統、磁場測量系統和安培力大小測量系統，實現了磁場的精確調節和安培力的高精度測量，有利于安培力與磁感應強度、電流強度、導線有效接入長度和通電導線與磁場夾角關系的定量探究。學生不僅能夠觀察到直觀的實驗現象，還能通過數據分析歸納出安培力的定量關系，從而更深入地理解和應用安培力的相關知識點。

1 研究背景

安培力是指通電導線在磁場中受到的力，在磁電式儀器、電動機、電磁炮、電磁泵等領域有廣泛的應用1，深刻理解安培力的概念和規律對學文章編號：1003-6148（2025）6-0058-6生學習物理知識并理解其在工農業生產中的應用有重要的意義。在《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中，對該內容提出了明確要求，通過實驗認識安培力，能判斷安培力的方向，會計算安培力的大小[2。不同版本教材設計了與安培力的大小、方向相關的探究實驗[3-5]表1所示為人教版、魯科版和教科版給出的安培力大小及方向的相關實驗，而對安培力大小及其影響因素進行定量分析的實驗相對缺乏。

針對以上不足，很多教師在安培力的定量探究方面，針對磁場的產生、磁感應強度大小的調控、通電直導線有效長度改變、角度調節等方面做了有益的嘗試[6-24]，但還存在一些不足。在實驗所提供的磁場方面，較多研究采用亥姆霍茲線圈6、勵磁線圈7通電螺線管[8、電磁鐵等裝置，雖然能提供空間范圍內較為均勻的磁場，但存在磁場弱且調節范圍小的不足，使得定量探究安培力大小與磁感應強度大小的關系存在困難;同時，由于磁感應強度過小，導致通電導線和磁場夾角小的時候，安培力太小，以致無法給出安

收稿日期：2025-02-20

基金項目：2024年浙江省“十四五”第二批本科教學改革項目“人工智能輔助物理實踐類課程評價的探索——以《研究型物理實驗》課程為例”（JGBA2024448）;2023年度杭州師范大學教學建設和改革項目“依托教具制作的師范生科學素養培養研究”；2024年浙江省高等學校大學物理課程教學指導委員會教學研究項目“依托項目化學習的《研究性物理實驗》課程教學改革研究\"（ZJDW202404）。

培力大小隨夾角的變化關系。也有較多研究通過強磁鐵[10-II]、蹄形磁鐵[12-I4]等提供實驗所需磁場，但此類磁體所提供的磁場存在大小無法連續調節、磁場分布均勻程度較低的不足。在安培力大小測量方面，現有研究方法及不足包括以下幾個方面：通過彈簧測力計[15]直接測量，但精度較低；利用杠桿放大原理放大安培力[，但安培力的數值讀取用到轉換的思想，需對指針轉過刻度盤的角度進行換算；運用靜態平衡原理[17]，將通電導體棒在勻強磁場中所受安培力大小通過線圈偏轉角度變化體現，所受安培力需要經過換算，過程繁瑣，增加學生在探究過程中理解的負擔；還有學者利用等臂杠桿的原理自制天平測量安培力，但存在精度、靈敏度均較低的缺陷[18-19]

基于此，我們針對磁體系統、磁感應強度大小調控系統、磁場強弱測量系統、安培力大小測量系統進行了設計改進，制作了“探究安培力影響因素\"實驗教具，對安培力與磁感應強度 B 電流強度 I， 通電導線有效接入長度 ξ_l 以及通電導線與磁場夾角 θ 的關系給出定量的探究，幫助學生更好地理解安培力及其影響因素。

2 實驗裝置設計及實現

圖1為探究安培力影響因素實驗裝置的設計圖，主要由磁場模塊、電流控制裝置、線圈組、角度調節轉盤、安培力測量裝置構成。圖2為實驗裝置的實物圖。

（1）磁場模塊

磁場產生裝置由粗調裝置與細調裝置構成。粗調裝置由2個直徑為 10cm 的釹鐵硼強磁鐵組成，對稱放置于固定架上。固定架底部設有平行導軌，可以改變兩強磁鐵的間距，實現磁感應強度大小的粗調。強磁鐵固定架能有效保證學生操作過程中磁場粗調裝置的穩定性及實驗的安全性。細調裝置由2個亥姆霍茲線圈組成，對稱固定于強磁鐵內部。亥姆霍茲線圈產生的磁場大小較均勻、空間分布更廣，可以彌補強磁鐵邊緣磁場分布均勻程度較低的缺陷，通過調節其通電電流強度能實現磁感應強度大小的細調。通過強磁鐵與亥姆霍茲線圈產生磁場的疊加，得到了本實驗裝置所需的大小連續可調、范圍較廣、均勻程度較好的磁場。

本裝置使用的磁場傳感器精度為1Gs，可在液晶顯示屏上直接顯示磁感應強度大小，從而準確直觀地讀取裝置空間范圍內的磁感應強度值。磁場傳感器固定于水平、豎直均可調節的木質導軌上，將木質導軌嵌入聚乙烯導軌中，從而實現在三維方向上磁感應強度大小的測量。通過數據采集和軟件處理，將磁場傳感器收集到的磁感應

強度數據進行可視化。

圖3（a）（b）分別為磁場空間分布色溫圖和某一水平截面上的磁場分布色溫圖，該截面的磁場分布較為均勻。

（2）電流控制裝置

本裝置選用直流穩壓穩流電源為處于磁場中的導線供電，以保證所提供電流的穩定性及可控性。該電源輸出電流范圍為0～5A，精度為0.01 A。

（3）線圈組

教材實驗所使用的單根通電導線在磁場中受到的安培力較小，測量相對誤差較大；在不改變其他影響因素的前提下，若要通過增加單根通電導線的長度來彌補這一不足，就要求提供一個均勻、范圍廣的空間磁場，導致實驗裝置整體體積大、使用不便。因此，本實驗裝置選用線圈組。考慮到產生的均勻磁場范圍以及實驗效果，選擇8cm 作為底邊，分別繞制100匝、150匝、200匝、250匝、300匝的線圈（對應的載流銅導線長度 l 分別為 8m，12m，16m，20m，24m） 。換用不同匝數的線圈來改變通電導線的有效接入長度。

（4）角度調節轉盤

為探究安培力大小與通電導線和磁場夾角的關系，本裝置設計使用角度調節轉盤。通過轉動角度調節轉盤，即可實現夾角的連續調節和測量，測量精度為 1^° 。

（5）安培力測量裝置

實驗中，通電導線在磁場中產生的安培力大小由壓力測量裝置反映。將所需的線圈置于壓力測量裝置上，按下“去皮\"按鈕進行置零。壓力測量裝置顯示屏上的數值需乘以重力加速度大小進行換算，得到安培力的大小。

3 實驗探究與功能檢驗

通過上述裝置設計，已初步實現各安培力的相關影響因素連續穩定可調及安培力大小的精確測量。接下來，筆者將深入分析數據，對安培力大小與各影響因素進行進一步定量探究。

3.1 探究安培力與磁感應強度大小的關系

保持通電導線中電流強度大小 （I=0.6A ）、通電導線有效接人長度（ l=24m ）、通電導線與磁場的夾角（ θ=90^° ）不變，探究安培力大小與磁感應強度大小的關系。

接通電路前按下壓力傳感器的“去皮\"按鈕，線圈通電后壓力傳感器顯示屏數值經過換算后可以反映安培力大小。調節兩端強磁鐵的距離，對磁感應強度大小粗調，改變通過亥姆霍茲線圈電流大小對磁感應強度大小細調；分別采集并記錄磁感應強度 B₁=70Gs，B₂=93Gs，B₃=109 Gs，B₄=135Gs 條件下的安培力大小，測量得到的數據如表2所示，安培力與磁感應強度大小的關系如圖4所示，實線為將各測量參數代人安培力計算公式所得的安培力大小理論值。由圖可知， F_? B 之間為線性關系。

3.2 探究安培力與電流強度大小的關系

保持通電導線有效接入長度 l=20m ）、通電導線與磁場的夾角（ θ=90^° ）不變，在磁感應強度分別為 B₁=70 Gs， B₂=93 Gs， B₃=109 Gs， B₄=135 Gs條件下，改變通電導線的電流強度大小，探究安培力大小與電流強度大小的關系。

測量安培力大小步驟同上，調節直流穩壓電源輸出電流大小，測得電流強度 I₁=0.1A，I₂=0.2A I₃=0.3A，I₄=0.4A，I₅=0.5A，I₆=0.6A 條件下的安培力大小數據如表3所示，圖5為不同磁感應強度下的 F-I 圖像，實線為將各測量參數代入安培力計算公式所得的安培力大小理論值。

3.3 探究安培力與通電導線有效接入長度的關系

保持通電導線中電流強度大小 I=0.6A ）不變，令線圈平面與磁感應強度方向垂直 θ=90^° ），在磁感應強度分別為 B₁=70Gs，B₂=93Gs，B₃= 109Gs，B₄=135（ Gs條件下，換用不同線圈，改變通電導線有效接人長度，探究安培力大小與通電導線有效接入長度的關系。

測量安培力大小步驟同上。實驗得到通電導線有效接入長度 l₁=8m，l₂=12m，l₃=16m，l₄=20m l₅=24m 條件下的安培力大小的數據如表4所示，不同磁感應強度下 F-l 的關系如圖6所示，實線為將各測量參數代人安培力計算公式所得的安培力大小理論值。

3.4 探究安培力與通電導線和磁場夾角的關系

選用匝數為300的線圈（ l=24m ），保持通電導線的電流強度大?。?I=0.6A， 不變，在磁感應強度分別為 B₁=70Gs，B₂=93Gs，B₃=109Gs，B₄= 135Gs 條件下，改變通電導線與磁場的夾角，探究安培力大小與通電導線和磁場夾角的關系。

測量安培力大小步驟同上，從通電導線與磁場的夾角為 15^° 開始，每轉動 15^° 記錄一次安培力大小，實驗得到 θ₁=15.0^°，θ₂=30.0^°，θ₃=45.0^°，θ₄= 60.0^°，θ₅=75.0^°，θ₆=90.0^° 條件下安培力大小的數據如表5所示，圖7為 B=109 Gs時得到的 F-θ 圖像，實線為正弦函數擬合得到的曲線。圖8為相應的 F-sinθ 圖像，實線為將各測量參數代入安培力計算公式所得的安培力大小的理論值。

綜上，利用該實驗儀器測得的安培力大小 F 與磁感應強度大小 B 、電流強度大小 I， 通電導線有效接入長度1通電導線與磁場夾角 θ 的正弦值均呈現較好的線性關系。該實驗儀器采用模塊化設計，磁場模塊的磁場變化范圍較大，測量精確，且可以測量全空間內的磁感應強度大小。另外，該儀器采用的自制線框、傳感器和磁體成本均較低。在高中課堂中，本儀器可作為功能完善的探究安培力大小及其影響因素的實驗測量儀器。

4結語

本研究創新性地設計了一種高中物理電磁學教學工具。該教具結合釹鐵硼強磁鐵與亥姆霍茲線圈，實現了磁感應強度的精確調節，加強了實驗的可操作性。角度調節轉盤的引入，可實現通電導線和磁場夾角的連續調節。此外，各測量模塊精度較高，為定量分析提供了數據基礎。系統性的實驗探究不僅驗證了安培力與磁感應強度、電流強度、通電導線有效接入長度及通電導線和磁場夾角正弦值之間的線性關系，而且提供了清晰的科學認知，有助于學生深入理解電磁學的核心概念，提升教學效果。

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