李 航

(貴州省凱里市第一中學(xué),貴州 凱里 556000)

1 課本中的演示儀器

圖1 演示儀器示意圖

課本中的演示實驗如圖1所示,該實驗包含馬蹄形磁鐵,電源與直導(dǎo)線,當(dāng)直導(dǎo)線通電后會受到安培力作用后會擺動一個角度,以此來判斷安培力的大小和方向.

該實驗在操作過程中存在的困難:(1) 通電導(dǎo)線在磁場中所受的力(安培力)的變化很小,傳統(tǒng)擺動角度的方法很難進行準(zhǔn)確的定量測量.(2) 無法實現(xiàn)磁感應(yīng)強度與電流方向夾角對安培力影響的定量研究,即無法驗證F=ILBsinθ.

2 自制高精度探究磁感應(yīng)強度的教具

制作的高精度探究磁感應(yīng)強度演示儀器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.其中由于電子秤托盤是金屬制品,所以把托盤替換成了木塊,木塊上在固定多匝線圈,方便電子秤測其受力．其電路圖中的電源來源于手機充電器部件改裝,體積小方便攜帶．

圖2 高精度探究磁感應(yīng)強度演示儀結(jié)構(gòu)圖

2.1 探究磁感應(yīng)強度定義式

(1) 探究安培力與電流大小之間的關(guān)系.

實驗操作:首先是保持匝數(shù)不變,之后接通電源打開儀器開關(guān),調(diào)零實驗器材,然后在固定線圈匝數(shù)下調(diào)節(jié)變阻器,使得電路電流改變,記錄安培力大小與電流大小.表1是匝數(shù)為130匝時所記錄的安培力大小與電流大小的數(shù)據(jù)表,而圖3是數(shù)據(jù)表線性擬合得到的F-I圖像.

實驗結(jié)論:總結(jié)出電流大小、安培力大小的成正相關(guān)關(guān)系,此處教師需要指導(dǎo)學(xué)生分析Excel表格中的數(shù)據(jù)與圖像,通過分析公式極小截距與過原點附近的擬合直線,在誤差范圍內(nèi)得出安培力大小與電流大小的正比關(guān)系,即F∝I.

表1 安培力F與電流I數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

(2) 探究安培力與線圈匝數(shù)(有效長度)之間的關(guān)系.

匝數(shù)轉(zhuǎn)換旋鈕:通過旋鈕可調(diào)節(jié)多匝線圈通電匝數(shù),一共可以實現(xiàn)50、90、130、170有4種匝數(shù),以正方形線框單邊長為L,則受力邊有效長度分別是50L、90L、130L、170L.

實驗操作:安培力由電子秤轉(zhuǎn)換成壓力精確測出.變阻器與恒壓電源能保證不同匝數(shù)時電流大小的一致性.接通電源,儀器調(diào)零,保持電流大小為0.18A,得出不同匝數(shù)下對應(yīng)的安培力大小,表2與圖4分別是得出的數(shù)據(jù)及其圖像.

表2 安培力F與導(dǎo)線長nL數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖4 安培力F與導(dǎo)線長nL數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

實驗結(jié)論:分析數(shù)據(jù)得安培力大小與有效長度成正比,即F∝L.時間允許可以采取多次測量(5組數(shù)據(jù)以上)的方法,使得擬合圖像誤差更小.

(3) 規(guī)律與優(yōu)點.

優(yōu)點:由于實驗電路圖就畫在了實驗器材面板上,方便教師講解電路原理.勻強磁場是由兩塊矩形強磁鐵等間距放置近似形成,且已經(jīng)標(biāo)明了南北極,能明確磁場的方向.此實驗操作簡單,電子秤所顯示的即是安培力F,且電子秤的精度是0.01g,電流表示數(shù)精度也是0.01A,這樣高精度的實驗定量數(shù)據(jù)讓探究的過程可信度很高,加上數(shù)據(jù)并輸入到Excel表格生成圖像,這有利于學(xué)生培養(yǎng)實驗核心素養(yǎng)來解決實際問題.

2.2 驗證磁感應(yīng)強度與電流方向之間的關(guān)系

(1) 推導(dǎo)公式F=ILBsinθ.

構(gòu)建模型:當(dāng)磁感應(yīng)強度B的方向與導(dǎo)線方向成θ角度,我們可以把它分解為與導(dǎo)線垂直的分量B⊥和與導(dǎo)線平行的分量B∥.

推導(dǎo)過程:磁感應(yīng)強度分解,得到B⊥=Bsinθ與B∥=Bcosθ,其中B∥不產(chǎn)生安培力,導(dǎo)線所受到的只有B⊥作用下的安培力,因此得到F=ILBsinθ,這是一般情況下的安培力的表達式.[2]

(2) 實驗驗證:F=ILBsinθ.

圖5 改變角度結(jié)構(gòu)圖

實驗操作:打開實驗儀器電源,對電流與電子秤進行調(diào)零,把指針調(diào)整到指針指向0度夾角未知,然后選擇一固定匝數(shù),調(diào)節(jié)變阻器確定一固定電流大小,然后記錄電子秤的示數(shù).隨后通過如圖5所示的角度轉(zhuǎn)盤改變磁場的方向,實現(xiàn)測量任意角度對應(yīng)的安培力大小,所觀察到的數(shù)據(jù)如表3所示(以130匝,電流大小為0.18 A得出的數(shù)據(jù)).

表3 數(shù)據(jù)F-θ記錄表

實驗結(jié)論:通過數(shù)據(jù)記錄表與Excel表生成的F與θ的圖像，可以發(fā)現(xiàn)安培力有從正值到負(fù)值的變化.將實驗擬合圖像與理論正弦值圖像進行對比,得到如圖6所示圖像,可以發(fā)現(xiàn)在誤差范圍內(nèi)兩組數(shù)據(jù)吻合得很好,從而可以驗證F=ILBsinθ的正確性.

圖6 安培力F與角度θ數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

優(yōu)點:角度轉(zhuǎn)盤上的磁鐵可任意旋轉(zhuǎn),指針可以指向任何角度方向,操作十分方便,現(xiàn)象直觀.此實驗也可進行安培力方向的探究,即左手定則的規(guī)律的使用.

3 實驗評估

選修3-1第3章第2節(jié)磁感應(yīng)強度的大小與第4節(jié)安培力大小的教學(xué)過程應(yīng)用了自制的高精度實驗設(shè)備,與傳統(tǒng)實驗相比,該儀器主要優(yōu)勢是把課本中的定性與理論推導(dǎo)變成了可定量的數(shù)據(jù),這能大大地增強電磁學(xué)規(guī)律的可信度.

3.1 創(chuàng)新點

本實驗儀器在教學(xué)中有5點創(chuàng)新.(1) 本實驗自制多匝線圈,利用疊加原理得有效長度,克服了傳統(tǒng)實驗有效長度變化不明顯的缺點;(2) 電子秤巧妙測安培力,克服了傳統(tǒng)實驗安培力變化很小難以準(zhǔn)確定量測量的難點;(3) 自制變阻器調(diào)節(jié)電阻精確快速,滿足電流大小的高精度控制,克服了傳統(tǒng)教學(xué)中滑動變阻器調(diào)節(jié)精度不夠與變阻箱通電不可調(diào)的困難;(4) 數(shù)字化表可視化強,Excel圖像能夠很直觀發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律,這些定量做出的圖像能優(yōu)化數(shù)據(jù)使學(xué)生記憶深刻,[3]提升學(xué)生物理直覺;(5) 自制儀器架方便教師展示攜帶,實驗電路圖就畫在儀器上,方便解讀原理電路圖,儀器兩側(cè)合攏即可搬運,無需組裝,隨走隨用.

3.2 不足

在本課的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)儀器的主要缺陷是對平臺的水平要求較高,由于線圈本身的自感現(xiàn)象會使得儀器在斷通電時電流大小會有短暫波動,這些都會對讀數(shù)產(chǎn)生誤差.對于高精度的這個實驗,在實驗原理上是無能為力.不過這可以在每組數(shù)據(jù)開始前檢查調(diào)零,等數(shù)據(jù)穩(wěn)定了再記錄數(shù)據(jù),只是在課堂上這樣會稍加長實驗教學(xué)時間.