(聊城大學(xué)，山東 聊城 252000)

·實(shí)驗(yàn)研究·

利用DISLab探究安培力的影響因素

裴超楊效華

(聊城大學(xué)，山東 聊城 252000)

筆者針對(duì)傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的不足，采用DISLab對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。本文以“探究影響通電導(dǎo)線(xiàn)受力的因素”的演示實(shí)驗(yàn)為例，簡(jiǎn)要介紹了DISLab的實(shí)驗(yàn)儀器、原理和過(guò)程。

DISLab；安培力；影響因素

1 教材演示實(shí)驗(yàn)分析

教材中“探究安培力方向”的演示實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是交換磁極的位置和改變電流的方向，以此觀察導(dǎo)線(xiàn)受力方向是否改變。但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象并不是很明顯。主要原因是實(shí)驗(yàn)室的蹄形磁鐵磁性太弱，當(dāng)我們改變磁極位置或者電流方向時(shí)導(dǎo)線(xiàn)擺角太小，不易于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。再者，通電導(dǎo)線(xiàn)在擺動(dòng)過(guò)程中，導(dǎo)線(xiàn)所在處磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生改變。

在“探究影響通電導(dǎo)線(xiàn)受力的因素”的演示實(shí)驗(yàn)中，該實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是將三塊相同的蹄形磁鐵并列放置，將一根直導(dǎo)線(xiàn)水平懸掛在磁鐵兩極間，導(dǎo)線(xiàn)的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直[1]。隨后采用控制變量法，分別改變導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度和電流的大小，觀察導(dǎo)線(xiàn)前后擺角的變化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)了一些不足：首先，導(dǎo)線(xiàn)前后的擺角變化不大，作為演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不易發(fā)現(xiàn)力的大小變化。其次，雖然U形磁鐵間可近似看成勻強(qiáng)磁場(chǎng)，而實(shí)際上U形磁鐵空間狹小，必須考慮邊緣效應(yīng)[2]。針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，我們決定采用DISLab實(shí)驗(yàn)來(lái)解決問(wèn)題。

2 DISLab實(shí)驗(yàn)

圖1

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

(1) 磁場(chǎng)部分：如圖1所示，將兩塊磁鐵正對(duì)放置。

(2) 線(xiàn)路及通電導(dǎo)線(xiàn)部分：如圖2所示為漆包線(xiàn)繞成的方形線(xiàn)圈，我們分別接出100匝、200匝和300匝的工作線(xiàn)圈，通過(guò)連接電路選擇不同匝數(shù)作為在磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)線(xiàn)段。且匝數(shù)越多，在磁場(chǎng)中的有效導(dǎo)線(xiàn)越長(zhǎng)。

圖3是研究電流大小或?qū)Ь€(xiàn)長(zhǎng)度對(duì)安培力影響的實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路圖，圖4為研究磁場(chǎng)強(qiáng)度或磁通量對(duì)安培力影響的實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路圖，實(shí)驗(yàn)中均采用12V的學(xué)生電源。

圖3

圖4

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 探究“電流大小或?qū)Ь€(xiàn)長(zhǎng)度對(duì)安培力的影響”

(1) 實(shí)驗(yàn)步驟

先選擇100匝的線(xiàn)圈進(jìn)行安培力的測(cè)量，點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕，此時(shí)會(huì)得到一系列點(diǎn)。點(diǎn)擊選擇分析區(qū)域，選擇y=ax+b的形式,便得到一條直線(xiàn)。

分別接入200匝和300匝線(xiàn)圈。重復(fù)以上步驟，得到如圖5所示的實(shí)驗(yàn)圖像。

圖5

(2) 圖像分析

首先選定同一電流,比較長(zhǎng)度不同時(shí)導(dǎo)線(xiàn)所受安培力的大小。例如選定電流為0.5A，所對(duì)應(yīng)的安培力大小分別為0.32N、0.16N、0.09N，從數(shù)據(jù)上我們可以看出，安培力大小與導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度成正比。

采用同樣的方法，在同一圖像中觀察安培力大小與電流大小的關(guān)系，兩者也成正比。

2.2.2 探究“磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)安培力的影響”

(1) 實(shí)驗(yàn)步驟

按圖4進(jìn)行電路的連接，之后按上述步驟進(jìn)行準(zhǔn)備，將x軸名稱(chēng)改為時(shí)間。

將線(xiàn)圈放在磁場(chǎng)中心處，點(diǎn)擊“開(kāi)始”，改變電流至最大，得到如圖6所示圖像。

圖6

依次向上移動(dòng)線(xiàn)圈，以逐次減小磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，得到另外3組圖像，將4組圖像顯示在同一個(gè)坐標(biāo)軸上面。

(2) 圖像分析

由圖像可知，線(xiàn)圈越往上提，其所受的安培力就越小。所以，安培力的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小成正比。

2.2.3 探究“磁場(chǎng)強(qiáng)度與導(dǎo)線(xiàn)間夾角大小對(duì)安培力的影響”

(1) 實(shí)驗(yàn)步驟

準(zhǔn)備階段：按圖4進(jìn)行電路的連接。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：將線(xiàn)圈與磁場(chǎng)強(qiáng)度方向成90度角放置，點(diǎn)擊開(kāi)始，旋轉(zhuǎn)電流旋鈕至最大后得到最終穩(wěn)定圖像。

依次改變夾角分別為60度、0度，重復(fù)上述步驟后，在同一坐標(biāo)軸上得到3組圖像(如圖7)。

圖7

(2) 圖像分析

由圖像可知，夾角為90度時(shí)，安培力最大。夾角為0度，即線(xiàn)圈與磁場(chǎng)強(qiáng)度平行時(shí)，所受安培力為0N。

3 結(jié)語(yǔ)

我們采用平行磁場(chǎng)，將線(xiàn)圈放在磁場(chǎng)的中心處，由于線(xiàn)圈偏轉(zhuǎn)角度不大，這就解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中由于通電導(dǎo)線(xiàn)在擺動(dòng)過(guò)程中，導(dǎo)線(xiàn)所在處磁場(chǎng)易發(fā)生改變的缺點(diǎn)。在“探究影響通電導(dǎo)線(xiàn)受力因素”的DISLab實(shí)驗(yàn)中，我們同樣將不易觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為圖像，并且解決了邊緣效應(yīng)問(wèn)題。

DISLab實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)過(guò)程“可視化”、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)“重點(diǎn)化”、數(shù)據(jù)采集和處理“智能化”、教學(xué)過(guò)程“現(xiàn)代化”等特點(diǎn)[3]，可以將圖像或者數(shù)據(jù)展現(xiàn)在電腦屏幕上，解決了傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)不易觀察的缺點(diǎn)，還可以培養(yǎng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)、圖像的能力。

[1] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū) 物理3-1[M].人民教育出版社，2011:83.

[2] 陳艷.定量探究安培力大小實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].教學(xué)實(shí)驗(yàn)與儀器，2015,(9).

[3] 朱國(guó)強(qiáng),陳義兵.應(yīng)用DISLab探究安培力大小的相關(guān)因素[J].物理通報(bào)，2011，(9).