陳一翔

摘要：安培力的研究是高中物理知識(shí)體系中比較重要的知識(shí)，運(yùn)用教材中介紹的電流天平為背景，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，運(yùn)用電子天平和傳統(tǒng)“桿秤”相結(jié)合，搭配學(xué)生電源，電流表，滑動(dòng)變阻器等常見的儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置能夠定量地探究了安培力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電流I、導(dǎo)線長度l及B與I的夾角θ的關(guān)系

關(guān)鍵詞：安培力；電流天平；定量探究

本文介紹的實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)靈感來自于人教版高中物理選修3-1第三章第四節(jié)《通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力》一節(jié)中的課后問題與練習(xí)中第三題。

原題如下：圖所示為電流天平，可以用來測(cè)量勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。它的右臂掛著矩形線圈，匝數(shù)為n，線圈的水平邊長為l，處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與線圈平面垂直。當(dāng)線圈中通過電流I時(shí)，調(diào)節(jié)砝碼使兩臂達(dá)到平衡。然后使電流反向，大小不變。這時(shí)需要在左盤中增加質(zhì)量為m的砝碼，才能使兩臂再達(dá)到新的平衡。

（1）導(dǎo)出用n、m、l、I計(jì)算B的表達(dá)式。

（2）當(dāng)n=9，l=10.0cm，I=0.10A，m=8.78g時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度是多少？

筆者依據(jù)該題中所描述的電流天平的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，考慮到安培力的變化量較小，故改進(jìn)為不等臂杠桿，設(shè)計(jì)成傳統(tǒng)的桿秤的樣式。但由于處在磁場(chǎng)中的線圈通電后，受到安培力的作用，使得“桿秤”不再平衡，需要重新尋找新的平衡位置，可較容易判斷安培力的方向，但對(duì)于大小雖然可以運(yùn)用力矩的關(guān)系定量算出，但是很麻煩，課堂演示不方便。故筆者設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)裝置采用電子天平上放置一個(gè)重錘，重錘上方勾著“桿秤”。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物照片如圖所示。

演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，將電子天平讀書歸零。當(dāng)通電后，處在磁場(chǎng)中的線圈收到安培力的作用，電子天平的示數(shù)由原來的0發(fā)生變化，數(shù)值可以用以便是安培力的大小的倍數(shù)（因?yàn)椴皇堑缺鄹軛U），正負(fù)表示所受安培力的方向。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上的磁鐵，即改變了磁場(chǎng)與電流的夾角，電子天平的示數(shù)也隨之改變。當(dāng)線圈位置與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向平行時(shí)，電子天平的示數(shù)變?yōu)?，即表示此位置，線圈不受安培力的作用。

該裝置可以用于《3.2磁感應(yīng)強(qiáng)度》一節(jié)中，定量探究F與I、L 的關(guān)系?？梢酝ㄟ^改變滑動(dòng)變阻器，改變電流I，記錄多組F與I 的數(shù)據(jù)；將線圈放置在磁場(chǎng)中的長度加倍，其余條件不變，觀察F與I的數(shù)據(jù)規(guī)律，從而得出相應(yīng)的結(jié)論。

該裝置可以用于《3.4通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力》一節(jié)中定量探究F與B和IL的夾角θ的關(guān)系。在磁鐵盤下方放置一個(gè)自制的圓形量角器刻度盤，轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵，即改變?chǔ)?。記錄θ與F的數(shù)據(jù)，輸入Excel表格，可以輔助得出相應(yīng)的結(jié)論。

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