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        安培力方向判斷演示實驗的改進

        2018-08-08 07:32:50翁曉隆
        新課程(下) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:安培力導(dǎo)體磁場

        翁曉隆

        (浙江師范大學(xué)附屬中學(xué),浙江 金華)

        人教版3-1《磁場》章節(jié)中《通電導(dǎo)線在磁場中受到的力》這節(jié)課的教學(xué),重點是探究安培力的方向與哪些因素有關(guān),在教學(xué)中往往要進行學(xué)生分組探究實驗。其中關(guān)于安培力方向的判斷,在目前的教學(xué)中常見的方法有兩種:

        (1)利用懸掛的導(dǎo)體棒的初始運動方向來判斷安培力的方向,如圖1所示。

        圖1

        探究結(jié)論:導(dǎo)體棒的初始運動方向為導(dǎo)體棒通電后受安培力的方向。

        (2)利用導(dǎo)軌上導(dǎo)體棒的初始運動方向來判斷安培力的方向,如圖2所示。

        圖2

        探究結(jié)論:導(dǎo)體棒的初始運動方向為導(dǎo)體棒通電后受安培力的方向。

        以上兩種方法在現(xiàn)象判斷和結(jié)論分析方面存在著一定問題,假如安培力的方向在如圖3中所示中的F1和F3兩種情況下,都可以使導(dǎo)體棒向右運動,因此排除掉F1和F3的可能性,最終確定水平方向F2是安培力的唯一方向,教師在學(xué)生進行探究實驗前必須要明確指導(dǎo)學(xué)生,否則不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹?shù)乃季S。

        圖3

        演示實驗改進方案一:改變磁鐵擺放的方向,看安培力引起的效果

        通過本人在教學(xué)過程中的摸索和實驗,摸索出三個演示實驗的改進方案。

        設(shè)計原理:

        在如圖1所示裝置中,通電后導(dǎo)體棒向右運動,導(dǎo)體棒可能受到如圖3所示的F1、F2或F3三種可能情況。若將蹄形磁鐵豎直放置,磁場水平方向。若導(dǎo)體棒通電后受到如圖3所示的F1時,當(dāng)磁鐵豎直放置時,導(dǎo)體棒受到如圖4所示F1作用,在水平分力作用下向右運動;若導(dǎo)體棒通電后受到如圖3所示的F3時,當(dāng)磁鐵豎直放置時,導(dǎo)體棒受到如圖4所示F3作用,在水平分力作用下向左運動;若導(dǎo)體棒通電后受到如圖3所示的F2時,當(dāng)磁鐵豎直放置時,導(dǎo)體棒受到如圖4所示F2作用,豎直方向運動。

        圖4

        演示實驗裝置:

        圖5為改進后的實驗裝置。該實驗改進裝置是在懸掛金屬棒的兩導(dǎo)線上增加兩個勁度系數(shù)較小的彈簧,金屬棒用空心鋁棒或用錫箔卷在水筆筆芯上,將細銅絲(去除絕緣漆)焊接在空心鋁棒兩端后固定在兩彈簧上,然后再繞過彈簧連接到接線柱上(防止因為彈簧在通電后收縮而影響實驗的準(zhǔn)確性)。將蹄形磁鐵豎直放置。

        圖5

        演示實驗操作和實驗現(xiàn)象:

        將裝置接入電路中,電源選用4節(jié)干電池,讓蹄形磁鐵水平放置,即磁場方向是豎直方向,當(dāng)通電后金屬棒擺動(如圖1所示向右擺動),則金屬棒受力的方向可能是如圖3所示的F1、F2或F3三種可能情況。再將蹄形磁鐵豎直放置,如圖5所示,即磁場方向是水平方向,反復(fù)接通和斷開開關(guān),發(fā)現(xiàn)金屬棒只上下振動而不左右擺動。據(jù)此判斷安培力方向是在豎直方向上,從而證明了前一次安培力的方向為水平方向的F2唯一確定性。為了讓現(xiàn)象更明顯,該實驗沒有使用保護電阻而采取直接將導(dǎo)體棒接入電源兩端的方法,因此每次實驗接通開關(guān)后應(yīng)馬上斷開,以防電源過載。

        演示實驗改進方案二:利用錫箔絲受安培力發(fā)生形變的方向來判斷安培力方向

        設(shè)計原理:

        將導(dǎo)體棒換成質(zhì)量很輕、比較柔軟的錫箔絲,穿在兩金屬支架上,并安放在蹄形磁鐵中間,通電后錫箔絲在安培力的作用下運動并發(fā)生形變,通過錫箔絲的形變方向就可以判斷出安培力的方向。

        演示實驗裝置:

        將錫箔紙剪成寬2 mm左右,長10 cm左右的細絲并拉直。將兩金屬桿固定在木板上,一端制成很小的口字型金屬套,將錫箔絲穿進兩金屬套中,保證錫箔絲和金屬套接觸良好,且錫箔絲可以在金屬套中前后移動,錫箔絲拉直并與磁場垂直。金屬桿靠木板端夾上導(dǎo)線,如圖6所示。

        圖6

        演示實驗操作和實驗現(xiàn)象:

        將裝置接入電路,電源為4節(jié)干電池,讓蹄形磁鐵磁場方向豎直。錫箔絲拉直水平放置,忽略重力作用,閉合電鍵,錫箔絲在較強的安培力作用下,水平方向運動,由于錫箔絲可以在金屬套中前后移動,錫箔絲發(fā)生彎曲,且彎曲方向朝水平方向。多次轉(zhuǎn)動蹄形磁鐵,改變磁場方向,錫箔絲的彎曲方向始終與磁場方向垂直,證明了圖3安培力的方向為水平方向的唯一確定性。該實驗沒有使用保護電阻,因此每次實驗接通開關(guān)后應(yīng)馬上斷開。

        演示實驗改進方案三:用力傳感器測力的豎直分量

        設(shè)計原理:

        如果安培力的方向不是沿圖3中F2的水平方向,那么該力會產(chǎn)生豎直方向的分力,如圖7所示,若能夠判斷出安培力的豎直分力是否存在,就可以解決安培力是否水平的問題。

        圖7

        演示實驗裝置:

        豎直方向的力我們用DIS力傳感器來測量(力傳感器的示數(shù)可以顯示到0.001 N),在有機玻璃板平臺上固定兩根粗銅絲作為導(dǎo)軌,將一錫箔紙卷成的導(dǎo)體棒(多卷幾層,邊緣用金屬膠粘?。┐怪睂?dǎo)軌水平放置。兩導(dǎo)軌各連接一金屬導(dǎo)線通過支架一起固定到力傳感器上,如圖8所示。將該裝置放入豎直方向的磁場中,該磁場由兩塊較大的平行放置的永久磁鐵產(chǎn)生,可近似看做勻強磁場,導(dǎo)軌平面水平,如圖9所示。

        圖8

        圖9

        演示實驗操作和實驗現(xiàn)象:

        將力傳感器、數(shù)據(jù)采集器與計算機連接,點擊DISLab通用軟件,計算機界面上顯示力傳感器的數(shù)值。接通電源前,力傳感器顯示的是整個支架受到的重力,為了能更好地觀察通電后力傳感器測量的力情況,點擊界面上調(diào)零按鈕,先將力傳感器測量數(shù)據(jù)調(diào)零,如果導(dǎo)體棒通電后受安培力為圖7中的F1則力傳感器顯示負值。如果受安培力為圖7中的F3則力傳感器顯示正值。接下來閉合電鍵通電,觀察導(dǎo)體棒的運動情況和屏幕上力傳感器顯示的數(shù)據(jù)。實驗現(xiàn)象是通電后導(dǎo)體棒在安培力作用下快速做水平運動,同時力傳感器顯示的示數(shù)幾乎一直為零,證明了安培力的方向為水平方向的F2唯一確定性。

        前兩個方案是定性演示實驗,第三個方案是定量演示實驗。在2016年舉行的浙江省中學(xué)物理課堂教學(xué)大賽上,我在《通電導(dǎo)線在磁場中受到的力》一課上,運用了上述演示實驗,得到評委高度肯定,獲得了一等獎第一名的好成績。

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