周志揚 徐將二

(浙江省諸暨市第二高級中學(xué),浙江 紹興 311800)

自制安培力演示器

周志揚 徐將二

(浙江省諸暨市第二高級中學(xué),浙江 紹興 311800)

圖1

人教版教材在“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”演示實驗時,采用如圖1所示的方案:3塊相同蹄形磁鐵并列放在桌上,一根直導(dǎo)線水平懸掛在磁鐵的兩極間,導(dǎo)線的方向與磁感應(yīng)強度的方向垂直;當電流通過導(dǎo)線時將擺動一個角度,通過擺動角度的大小可以比較導(dǎo)線受力的大小,分別接通“2、3”和“1、4”,可以改變導(dǎo)線通電部分的長度;先保持導(dǎo)線通電部分的長度不變,改變電流的大小,然后保持電流不變,改變導(dǎo)線通電部分的長度,觀察這兩個因素對導(dǎo)線受力的影響．

教材希望通過擺動角度的大小比較導(dǎo)線受力的大小,探究出通電導(dǎo)線受力與導(dǎo)線長度、電流強度之間的定量關(guān)系．但此方案最大的缺點在于擺動角度大小的測量,所測得的數(shù)據(jù)往往誤差較大,并且根據(jù)數(shù)據(jù)只能粗略放映所研究問題的定量關(guān)系,造成實驗結(jié)果差強人意．因此在實際教學(xué)過程中很有必要對此實驗方案加以改進,從而提高演示實驗的效度與信度．

1 方案設(shè)計

導(dǎo)線擺動一定角度后處于平衡狀態(tài)是由于導(dǎo)線受到的重力、拉力、安培力不在同一方向上而造成的,若這3個力在同一方向上,導(dǎo)線將不會偏離豎直方向而處于靜止狀態(tài),那么相應(yīng)的操作與測量也得到了簡化．倘若將拉力變換成支持力,導(dǎo)線將受到重力、支持力、安培力而處于靜止狀態(tài)(如圖2所示)．一般電子秤(如圖3所示)的精度可達0.1g(即10-3N),假如導(dǎo)線所受安培力的數(shù)量級在10-3N以上,完全可以將安培力大小測量出來．

圖2

圖3

2 器材制作

圖4

2.1 固定架子

用木頭釘制一個如圖4所示的裝置,具體尺寸為:下面底板的長度為28cm、寬度為32cm、厚度為5cm;后面立桿的長度為4.5cm、寬度為2.5cm、高度為40cm;在立桿中間位置距底板18cm處固定一個小平臺,長度為15.5cm、寬度為11cm、厚度為0.5cm．

2.2 矩形線框

如圖5所示,用漆包線繞制一個長度為20cm、寬度為8cm,匝數(shù)為120匝的矩形線框,并將其用粗鉛絲固定好,此裝置的高度為17cm;如圖6所示,用漆包線繞制長度為12.5cm、寬度為7cm,相距為3cm匝數(shù)為80匝兩個相同的矩形線框,用粗鉛絲固定好并連接在一起．

圖5

圖6

3 裝置簡述

將蹄形磁鐵與圖3～5中的裝置安放在一起(如圖7所示),矩形線框不與小平臺接觸,5塊相同蹄形磁鐵(并排相隔一定距離)開口一端向下安放在小平臺上面,線框的上邊處于其間的水平向外的勻強磁場之中．若線框有順時針方向的電流,線框上邊將受到向下的安培力,這個安培力是120匝漆包線所受安培力的合力．

將圖3～6中的裝置安放在一起(如圖8所示),“單線框”(圖5所示線框)不能與小平臺接觸．“平行線框”(圖6所示線框)安放在小平臺上面,使“單線框”的上邊處于其正中間,“平行線框”接上電流產(chǎn)生水平向外的勻強磁場．若“單線框”有順時針方向的電流,“單線框”上邊也將受到向下的安培力．

圖7

圖8

4 過程演示

4.1 磁感應(yīng)強度B、導(dǎo)線長度L不變,電流I變化

如圖9所示,將圖7與學(xué)生電源、變阻箱、電流表、單刀開關(guān)組成串聯(lián)電路．開關(guān)接通前,雖然電子秤會將“單線框”的質(zhì)量測量出來,但使用電子秤的去皮功能,可以使它的讀數(shù)變?yōu)?,那么開關(guān)接通時,“單線框”上邊受到的安培力直接通過電子秤顯示(以g為單位)．在這個過程中,磁感應(yīng)強度與導(dǎo)線長度(5塊蹄形磁鐵的總寬度)保持不變,通過對學(xué)生電源與變阻器的調(diào)節(jié)使電流從小到大變化,從電子秤讀數(shù)獲得相應(yīng)的安培力大?。?/p>

圖9

根據(jù)圖9實驗操作過程獲得表1數(shù)據(jù),由表1數(shù)據(jù)作出F-I圖像(如圖10所示),由圖線可知F與I成正比,也就是說單匝導(dǎo)線受到的安培力大小與通過導(dǎo)線的電流大小成正比．

表1

圖10

4.2 磁感應(yīng)強度B、電流I不變,導(dǎo)線長度L變化

在這個過程中采用如圖11所示的裝置,磁感應(yīng)強度與電流(I=1A)保持不變,導(dǎo)線長度可以通過放置蹄形磁鐵的多少來控制,使蹄形磁鐵從1塊逐漸增加為5塊,相應(yīng)的電子秤讀數(shù)獲得安培力大?。?/p>

圖11

根據(jù)圖11實驗操作過程獲得表2數(shù)據(jù),將1塊蹄形磁鐵的寬度記為L0．由表2數(shù)據(jù)作出F-L圖像(如圖12所示),由圖線可知F與L成正比,也就是說單匝導(dǎo)線受到的安培力大小與導(dǎo)線的長度成正比．

表2

4.3 導(dǎo)線長度L、電流I不變,磁感應(yīng)強度B變化

如圖13所示,將圖8中的“平行線框”與學(xué)生電源、變阻箱、電流表、單刀開關(guān)組成左邊的串聯(lián)電路,改變電流大小就可以改變磁感應(yīng)強度大小;“單線框”與學(xué)生電源、變阻箱、電流表、單刀開關(guān)組成右邊的串聯(lián)電路．在這個過程中,導(dǎo)線長度(5塊蹄形磁鐵的總寬度)與“單線框”中的電流(I=1.5A)保持不變,通過控制左邊串聯(lián)電路電流大小使磁感應(yīng)強度逐漸變大,相應(yīng)電子秤讀數(shù)獲得安培力大?。?/p>

圖13

根據(jù)圖13實驗操作過程獲得表3數(shù)據(jù), “平行線框”通過1A電流所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度記為B0,則“平行線框”通過1.5A電流所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度記為1.5B0,以此類推．由表3數(shù)據(jù)作出F-B圖像(如圖14所示),由圖線可知F與B成正比,也就是說單匝導(dǎo)線受到的安培力大小與磁感應(yīng)強度大小成正比．

表3

圖14

5 實驗評估

從方案的設(shè)計上看,此演示器簡化了安培力大小的測量,提高了安培力大小的測量精度;從器材的處理上看,此演示器取材方便,并且實驗器材的操作比較簡單;從測量的結(jié)果上看,此演示器獲得的實驗數(shù)據(jù)與結(jié)論正確可靠,實驗誤差較小;從方法的使用上看,此演示過程涉及了放大法、列表法、圖像法,對方法的活化起了積極作用．

1 馬霏.自制探究安培力演示器[J].物理教師，2013(10)：57.

2 胡海飛.一個失敗物理演示實驗的浴火重生[J].物理教師，2013(9)：52-53.

2016-08-26)