趙小軍 丁良峰

(西安交通大學(xué)蘇州附屬中學(xué) 江蘇 蘇州 215006)

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自制亥姆霍茲線圈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

趙小軍 丁良峰

(西安交通大學(xué)蘇州附屬中學(xué) 江蘇 蘇州 215006)

電磁學(xué)是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，有效地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)是解決難點(diǎn)的重要手段.電磁學(xué)演示實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常需要磁場(chǎng)，而常規(guī)的實(shí)驗(yàn)器材因?yàn)樘峁┑拇艌?chǎng)范圍小、不均勻，影響了演示效果.自制可旋轉(zhuǎn)亥姆霍茲線圈，結(jié)合教學(xué)進(jìn)行應(yīng)用研究，是提高這類實(shí)驗(yàn)演示效果的一個(gè)途徑.

亥姆霍茲線圈 勻強(qiáng)磁場(chǎng) 電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)

1 背景

高中電磁學(xué)中有很多概念都比較抽象，如磁感應(yīng)強(qiáng)度、安培力等.做好演示實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生形成直觀認(rèn)識(shí)，繼而進(jìn)一步建立概念，總結(jié)規(guī)律.常規(guī)做法中提供的實(shí)驗(yàn)用磁場(chǎng)存在若干不足：磁場(chǎng)范圍較小，磁場(chǎng)的方向不能根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)整，無(wú)法提供勻強(qiáng)磁場(chǎng).如果有一個(gè)平臺(tái)提供較大范圍的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，將極大地改善課堂演示實(shí)驗(yàn)的效果.基于這樣的考慮，筆者與同事設(shè)計(jì)并制作了可以旋轉(zhuǎn)的亥姆霍茲線圈實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖1).

圖1 可旋轉(zhuǎn)亥姆霍茲線圈

2 儀器原理與制作

2.1 儀器原理及特點(diǎn)

亥姆霍茲線圈是兩個(gè)相同、彼此平行且共軸的線圈.線圈通同方向電流，理論計(jì)算證明：線圈間距等于線圈半徑時(shí)，兩線圈的合磁場(chǎng)在軸上附近較大范圍內(nèi)是均勻的.可旋轉(zhuǎn)亥姆霍茲線圈就是將自制的亥姆霍茲線圈通過(guò)兩個(gè)水平軸裝在豎直框架上的裝置.儀器的主要特點(diǎn)是：可提供勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)空間大，線圈可以繞水平軸旋轉(zhuǎn).經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得自制亥姆霍茲線圈中間磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與勵(lì)磁電流如表1所示，根據(jù)圖2可以看出二者之間有很好的線性關(guān)系.因此還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)弱的定量研究.

表1 亥姆霍茲線圈勵(lì)磁電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)

圖2 亥姆霍茲線圈電流與磁場(chǎng)關(guān)系

2.2 儀器制作

筆者制作的亥姆霍茲線圈作為一個(gè)能夠完成多種實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，結(jié)構(gòu)如圖3所示.

①底座；②接線柱；③支架；④線圈；⑤帶限位功能的刻度盤

儀器可以分成3部分：亥姆霍茲線圈、支架、底座.

亥姆霍茲線圈是用五夾板做成兩組凹槽纏繞0.7 mm的漆包線繞制而成.每組線圈240匝，線圈內(nèi)徑240 mm，外徑280 mm，線圈間距130 mm.將亥姆霍茲線圈通過(guò)兩個(gè)水平軸與框架連接，線圈可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng).在線圈側(cè)面裝有一個(gè)圓形的刻度盤，通過(guò)刻度可以判斷線圈繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度.

支架用絕緣材料做成(為對(duì)比實(shí)驗(yàn)效果先后做了兩個(gè)，分別采用木材和亞克力)，頂部裝有一個(gè)可旋轉(zhuǎn)掛架、一個(gè)圓形刻度盤.掛架上裝有兩個(gè)接線柱可以外接電源，掛架可以懸掛導(dǎo)線棒.刻度盤可以顯示掛架旋轉(zhuǎn)的角度.

底座上裝有接線柱，用導(dǎo)線分別將其與頂部掛架接線柱和亥姆霍茲線圈連接，通過(guò)接線柱可以實(shí)現(xiàn)為線圈和掛架上的懸掛導(dǎo)線供電.在底座上還裝有兩個(gè)水平儀，幫助底座調(diào)節(jié)水平.

3 儀器的應(yīng)用

3.1 安培定則的驗(yàn)證

將小磁針?lè)謩e擺放在線圈內(nèi)部和線圈的正前方，給線圈通電，觀察其通電前后小磁針的指向情況.可觀察通電環(huán)形線圈周圍的磁場(chǎng)分布，如圖4所示，驗(yàn)證安培定則.

圖4 線圈通電后周圍小磁針?lè)植?/p>

3.2 左手定則的驗(yàn)證

將導(dǎo)線粘在細(xì)的木條上，用細(xì)的漆包線懸掛在掛架上，保證木條水平，按照接線柱顏色通上勵(lì)磁電流，給懸掛在掛架上的導(dǎo)線通以電流，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線向左側(cè)偏轉(zhuǎn)，如圖5所示.根據(jù)右手定則判斷亥姆霍茲線圈中磁場(chǎng)的方向，懸掛導(dǎo)線的偏轉(zhuǎn)方向與左手定則判斷結(jié)果一樣.改變勵(lì)磁電流方向或是導(dǎo)線電流方向繼續(xù)驗(yàn)證左手定則.

圖5 左手定則驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.3 探究影響安培力大小的因素

人教版教材的安培力演示器材，原理如圖6所示，安培力的大小變化主要通過(guò)導(dǎo)線擺動(dòng)的角度進(jìn)行比較，實(shí)際演示效果并不理想.主要存在的問(wèn)題是蹄形磁鐵磁場(chǎng)弱，磁場(chǎng)的大小和方向都不能變化.利用可旋轉(zhuǎn)亥姆霍茲線圈可以提供較大范圍的磁場(chǎng)，還可以改變磁場(chǎng)的大小和方向，較好地完成這個(gè)實(shí)驗(yàn).(1)保持其他各條件不變，只改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B大小(通過(guò)改變勵(lì)磁電流的大小實(shí)現(xiàn))，觀察懸線擺角大小變化，研究安培力F大小與B大小的關(guān)系；(2)只改變導(dǎo)線中電流I大小，研究安培力F大小與I大小的關(guān)系；(3)只改變粘在木條上導(dǎo)線的匝數(shù)，研究安培力F大小與L的關(guān)系；(4)通過(guò)旋轉(zhuǎn)亥姆霍茲線圈改變磁場(chǎng)方向，確定B與I垂直時(shí)安培力F最大.

圖6 安培力演示實(shí)驗(yàn)

3.4 演示磁懸浮實(shí)驗(yàn)

當(dāng)磁場(chǎng)方向?yàn)樗綍r(shí)，依據(jù)左手定則調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流方向使安培力方向向上，當(dāng)勵(lì)磁電流增加或是導(dǎo)線中電流變大時(shí)，導(dǎo)線會(huì)向上移動(dòng)一定的高度，導(dǎo)線受到的安培力、重力與給導(dǎo)線通電的細(xì)導(dǎo)線的彈力平衡，實(shí)現(xiàn)“磁懸浮”，如圖7所示.

圖7 磁懸浮演示實(shí)驗(yàn)

3.5 其他實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

自制的亥姆霍茲線圈可以提供一個(gè)較大的磁場(chǎng)空間，滿足很多實(shí)驗(yàn)的需求.如演示洛倫茲力，將陰極射線管掛在磁場(chǎng)中，不僅可以演示陰極射線在洛倫茲力作用下偏轉(zhuǎn)，還可以觀察磁場(chǎng)與陰極射線平行時(shí)射線的運(yùn)動(dòng)情況，如圖8所示.加上交變電流，還可以完成電磁感應(yīng)的一些實(shí)驗(yàn).

圖8 洛倫茲力演示實(shí)驗(yàn)

4 自制亥姆霍茲線圈應(yīng)用的思考

在部分電磁學(xué)演示實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用自制的可旋轉(zhuǎn)亥姆霍茲線圈，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材無(wú)法克服的一些困難，增強(qiáng)了演示效果.同時(shí)，作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提高了實(shí)驗(yàn)儀器的利用率.在教具的應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)，可旋轉(zhuǎn)亥姆霍茲線圈還有繼續(xù)改進(jìn)的空間，利用它產(chǎn)生的磁場(chǎng)并結(jié)合其他設(shè)備，可開(kāi)發(fā)更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.

1 葉祥勝. 改進(jìn)型安培力演示器的制作和演示. 物理通報(bào)，2013(11)：69～70

2 凌錫幫. 探究安培力實(shí)驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)易制作方法. 物理通報(bào)，2010(5)：93

3 劉燕. 對(duì)“磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用”一課的思考. 物理實(shí)驗(yàn)，2016(2)：42～44

趙小軍(1973- )，男，中教高級(jí)，主要研究方向?yàn)槲锢斫虒W(xué).

丁良峰(1981- )，男，中教一級(jí)，主要研究方向?yàn)橥ㄓ眉夹g(shù)教學(xué).

2016-10-04)