用拉桿天線自制安培力實(shí)驗(yàn)裝置
——自制教具展示作品文章之一

范國(guó)峰

(秦皇島市第一中學(xué)河北 秦皇島066006)

收稿日期：(2015-01-23)

人教版高中《物理·選修3-1》第三章“磁感應(yīng)強(qiáng)度”一節(jié)中，要探究影響通電導(dǎo)線受力的因素，可是用課本上的實(shí)驗(yàn)裝置演示時(shí)只能定性，不能定量，特別是在操作過(guò)程中導(dǎo)線框會(huì)前后左右擺動(dòng)，無(wú)法穩(wěn)定觀察,給課堂教學(xué)帶來(lái)很大困難.經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析, 筆者認(rèn)為教材中的實(shí)驗(yàn)存在如下不足：(1)直導(dǎo)線不能始終處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，造成直導(dǎo)線受力發(fā)生周期性變化；(2)水平直導(dǎo)線與豎直導(dǎo)線采用4線軟連接，平衡不好調(diào)整；(3)蹄形磁鐵同種磁極并列放置從而同極相互排斥，造成磁鐵間不能相互平行.針對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的不足，筆者自制了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置.用本裝置可以定量研究安培力與電流、通電直導(dǎo)線長(zhǎng)度之間的關(guān)系.

1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，該裝置由6部分組成.

圖1　安培力實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

(1)木板.長(zhǎng)50 cm,寬40 cm.

(2)支撐桿.支撐桿高80 cm，固定在木板的一端.

(3)有機(jī)玻璃板吊架.長(zhǎng)18 cm,寬10 m,厚0.5 cm .采用斜拉橋的方式固定在支撐桿的中上部，距木板高度為65 cm .有機(jī)玻璃板要保持水平.

(4)U型擺.由長(zhǎng)55 cm 的兩根拉桿天線與一段長(zhǎng)15 cm的細(xì)銅管在尖端部焊接而成.兩根拉桿天線保持平行.拉桿天線與細(xì)銅管保持垂直.打磨拉桿天線的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，使其盡可能光滑.

(5)小平車.承載3塊蹄形磁鐵,可在木板上水平移動(dòng).小平車長(zhǎng)18 cm,寬13 cm,高5 cm .

(6)刻度尺.刻度尺固定在支撐桿上，長(zhǎng)度為10 cm.

2實(shí)驗(yàn)原理

如圖2所示,設(shè)拉桿天線長(zhǎng)為L(zhǎng)，質(zhì)量為m，重心距懸點(diǎn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，當(dāng)拉桿天線框受到安培力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角為θ時(shí)，直導(dǎo)線位移為x.

圖2

根據(jù)力矩平衡有

FLcosθ=mgL1sinθ

(1)

x=Lsinθ

(2)

由式(1)、(2)可得

(3)

當(dāng)θ<5°時(shí)， cosθ≈1，得

(4)

(5)

則

式中κ為常量.

由此可見(jiàn)，在擺角很小的情況下F與x成正比.筆者所用拉桿天線的總質(zhì)量m=50 g，L=55 cm.重心距懸點(diǎn)的長(zhǎng)度L1=25 cm ，取g=9.8 m/s2，代入式(5)得κ=0.005 N/cm.因此如果知道水平直導(dǎo)線的位移，便可知道安培力的大小.

3使用方法

當(dāng)進(jìn)行課堂演示時(shí)，將蓄電池E,開(kāi)關(guān)S,U型擺,滑動(dòng)變阻器R0,電流表A依次串聯(lián)接入電路,如圖3所示.

圖3

閉合開(kāi)關(guān)，調(diào)整滑動(dòng)變阻器的阻值，使電流表有一穩(wěn)定值.電流流過(guò)U型擺，U型擺在磁場(chǎng)中受到安培力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)移動(dòng)小車使磁鐵與U型擺保持同步運(yùn)動(dòng)，蹄形磁鐵上的標(biāo)線始終與U型擺水平直導(dǎo)線對(duì)齊，保證了通電直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的恒定.當(dāng)安培力與U型擺的重力達(dá)到力矩平衡時(shí)，U型擺靜止不動(dòng).利用固定在支撐桿上的刻度尺測(cè)量U型擺下端直導(dǎo)線的水平位移，可間接知道U型擺所受安培力的大小.

保證磁場(chǎng)不變，改變滑動(dòng)變阻器的電阻值，從而改變電路中的電流，會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著電流的改變，U型擺下端直導(dǎo)線的水平位移也會(huì)有所變化.由此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出安培力與電流成正比.

如果控制電流不變，在小車上并排放置2個(gè)或3個(gè)同極性的蹄形磁鐵(改變處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的通電直導(dǎo)線的長(zhǎng)度)，蹄形磁鐵用等距柵板隔離限位.會(huì)發(fā)現(xiàn)U型擺下端直導(dǎo)線的水平位移與蹄形磁鐵數(shù)量成正比.由此可得出安培力與處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中通電直導(dǎo)線長(zhǎng)度成正比.

對(duì)磁場(chǎng)的分析：蹄形磁鐵并列放置時(shí)同種磁極間相互排斥對(duì)各自的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響呢？筆者用磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器對(duì)磁鐵磁場(chǎng)與距離的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量.測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1　磁鐵磁場(chǎng)與距離關(guān)系測(cè)量數(shù)據(jù)

由此看出，當(dāng)磁鐵距離達(dá)到2 cm遠(yuǎn)后，磁感應(yīng)強(qiáng)度已經(jīng)衰減為原來(lái)的1%.同種磁極間的影響在誤差允許范圍內(nèi)可忽略.

因此筆者在并列放置的蹄形磁鐵間設(shè)置了隔離柵板，柵板間隔2 cm.在柵板的隔離下，確保了磁鐵的平行,為通電直導(dǎo)線提供了一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng).

通過(guò)以上兩個(gè)控制變量法進(jìn)行的定量實(shí)驗(yàn)，可順利得出安培力與電流、直導(dǎo)線長(zhǎng)度成正比的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

4自制儀器特點(diǎn)

本自制教具可以直觀、定量地觀察安培力的大小，性能穩(wěn)定，與教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)聯(lián)系緊密，有利于在課堂上為學(xué)生接受，課堂效果明顯.采用磁鐵跟蹤直導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的方法，保證了磁場(chǎng)的恒定，并且有效地降低了儀器重量，特別適合用于課堂教學(xué).機(jī)械裝置簡(jiǎn)單、容易理解、價(jià)格低廉、易制作、誤差小，便于推廣.

5實(shí)物圖

圖4為本自制教具的實(shí)物圖.