吳登平 蘇耀杰

(廣東石油化工學(xué)院物理系 廣東 茂名 525000)

教材及教學(xué)中一般通過傳統(tǒng)演示儀器定性探究安培力的大小與導(dǎo)線電流、導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度的關(guān)系，但由于教材所用傳統(tǒng)儀器的局限，無(wú)法探究安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，也不能對(duì)影響安培力大小的3個(gè)因素進(jìn)行定量探究．通過自制的安培力演示儀，不僅可以對(duì)影響安培力大小的3個(gè)因素的猜想進(jìn)行定性驗(yàn)證，而且能夠定量探究安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流大小和導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度的關(guān)系，從而突破了傳統(tǒng)儀器的局限，讓學(xué)生經(jīng)歷從定性到定量的完整的探究過程．

以下從自制可定量測(cè)量的安培力演示儀的簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟與使用方法等幾個(gè)方面加以展示，還就使用效果、注意事項(xiàng)等做了說明.

1 簡(jiǎn)介

安培力演示儀如圖1所示，用以探究勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，電流和磁場(chǎng)垂直情況下影響安培力大小的因素及其定量關(guān)系．

圖1 安培力演示儀

1.1 功能

探究影響安培力大小的因素：(1)電流；(2)磁場(chǎng)強(qiáng)弱；(3)導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度，并能夠研究三者之間的定量關(guān)系．

1.2 特點(diǎn)

(1)定量化測(cè)量

儀器使用滑動(dòng)變阻器和電流表可以改變和測(cè)量線圈中的電流，通過增加蹄形磁鐵的個(gè)數(shù)可以定量改變導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度，通過蹄形電磁鐵可以改變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，通過杠桿放大原理放大安培力，從而定量地測(cè)量出安培力的大?。虼?，該儀器可以定量地探究安培力大小的計(jì)算公式．

(2)簡(jiǎn)潔直觀，操作方便

利用強(qiáng)磁場(chǎng)，簡(jiǎn)單、直觀地展示出通電直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力情況，并且通過滑動(dòng)變阻器改變線圈和蹄形電磁鐵的電流并在電流表中顯示出來(lái)；通過增加蹄形磁鐵的個(gè)數(shù)改變導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度，操作簡(jiǎn)單，直觀明顯．

2 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，定量地改變線圈中的電流大小、磁場(chǎng)強(qiáng)弱和導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度；利用杠桿放大原理定量地測(cè)量安培力的大?。芯堪才嗔εc3個(gè)變量之間的定量關(guān)系F=BIL．

線圈通電以后，在磁場(chǎng)中的導(dǎo)線就會(huì)受到安培力的作用，線圈就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，安培力越大線圈偏轉(zhuǎn)的角度就會(huì)越大，由刻度盤上的刻度就可以讀出安培力的大?。?/p>

本實(shí)驗(yàn)儀器采用以下方法改變電流大小、磁場(chǎng)強(qiáng)弱和導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度．該儀器由兩個(gè)支路所組成(圖2)，右邊的支路是用來(lái)控制線圈中的電流的，通過滑動(dòng)變阻器改變支路上的電阻，從而改變支路上的電流，用電流表可以讀出電流的大??；左邊的支路用來(lái)控制蹄形電磁鐵的電流，同樣也是用滑動(dòng)變阻器改變電路中的電流，用電流表讀出電流的大小；導(dǎo)線的長(zhǎng)度則用增加蹄形磁鐵的個(gè)數(shù)來(lái)改變．

由于安培力是一個(gè)微小量，所以本實(shí)驗(yàn)通過使用磁場(chǎng)較強(qiáng)的蹄形磁鐵、增加線圈匝數(shù)(150匝)、增加線圈電流(最大電流可達(dá)2.5 A)等方法以及杠桿放大原理，增加安培力的大小．

本實(shí)驗(yàn)儀器刻度是均勻的．因?yàn)?，在誤差允許的范圍以內(nèi)，可以認(rèn)為彈簧拉力的方向垂直向下，所以線圈受到的彈簧的力矩和受到的安培力的力矩相等時(shí)，線圈達(dá)到平衡．此時(shí)

F安Rcosθ=F拉Rcosθ=

其中θ為線圈偏轉(zhuǎn)的角度，κ為彈簧的勁度系數(shù)，r為彈簧的力臂，R為安培力的力臂，L為彈簧拉伸的長(zhǎng)度．

圖2 儀器原理圖

從上面的公式就可以得到F∝θ，所以本實(shí)驗(yàn)的刻度是均勻變化的．

3 操作步驟與使用方法

3.1 探究安培力大小與電流的定性及定量關(guān)系

(1)實(shí)驗(yàn)前斷開全部開關(guān)，插上電源，把滑動(dòng)變阻器調(diào)到阻值最大處．

(2)把兩個(gè)蹄形磁鐵橫跨在左邊或者右邊的線圈上．

(3)閉合開關(guān)S1和S2給線圈通電．

(4)通過滑動(dòng)變阻器R1改變線圈中的電流，觀察指針的偏轉(zhuǎn)情況．

(5)分別記錄電流表A1和安培力的大小，探究安培力大小與電流的定量關(guān)系．

3.2 探究安培力大小與磁場(chǎng)強(qiáng)弱的定性及定量關(guān)系

(1)將線圈中的電流調(diào)至1 A，斷開S1和S2．

(2)將蹄形磁鐵換成蹄形電磁鐵，閉合S1，S2和S3．

(3)改變滑動(dòng)變阻器R2的阻值，改變蹄形電磁鐵中的電流．觀察指針的偏轉(zhuǎn)情況．

(4)分別記錄電流表A2和安培力的大?。?因?yàn)樘阈坞姶盆F所產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)弱和通過它的電流呈正比關(guān)系，因此可以用電流表示它磁場(chǎng)的強(qiáng)弱．)

3.3 探究安培力大小與導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度的定性及定量關(guān)系

(1)斷開S1，S2和S3，把蹄形電磁鐵換成蹄形磁鐵．

(2)閉合S1和S2，讀取和記錄安培力的大?。?/p>

(3)斷開S1和S2，增加一個(gè)蹄形磁鐵，再閉合S1和S2．記錄安培力的大小．

(4)斷開S1和S2，增加一個(gè)蹄形磁鐵，再閉合S1和S2．記錄安培力的大小．

以上實(shí)驗(yàn)完成后必須斷開全部開關(guān)，并把滑動(dòng)變阻器調(diào)到最大值．

4 使用效果

4.1 實(shí)驗(yàn)效果

本實(shí)驗(yàn)儀器可以做到定性和定量相結(jié)合．

定性實(shí)驗(yàn)效果明顯．雖然儀器內(nèi)存在一些阻力，但是對(duì)于定性觀察而言，由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，這些阻力不會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于中學(xué)課堂的定性探究效果非常好．

由于儀器為手工制作，用于定量實(shí)驗(yàn)時(shí)存在著一定的誤差，但是該誤差不大，可以滿足中學(xué)物理課堂實(shí)驗(yàn)的需要．所以儀器能很好地定量探究安培力與3個(gè)變量的關(guān)系．

4.2 教學(xué)中的應(yīng)用

(1)本裝置采用大尺寸制作，可作為教師的課堂演示儀器使用．利用本裝置可使學(xué)生牢固掌握安培力的測(cè)量方法，影響安培力的因素等．并且還可以在探究的過程中提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)掘?qū)W生的獨(dú)立探究能力．除此之外，還能從實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)方法上給予學(xué)生啟迪．

(2)本裝置也可作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)儀器，通過學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力、協(xié)同合作能力和團(tuán)隊(duì)精神．

5 拓展功能

該儀器可以在接線柱處設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)，從而可以改變電流的流向，和改變磁場(chǎng)的方向，探究安培力的方向和驗(yàn)證左手定則．

6 技術(shù)指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)裝置尺寸為，底座32 cm×32 cm；垂直面板32 cm×64 cm；刻度盤32 cm×32 cm；線圈匝數(shù)150匝；支架高度6 cm；電源適配器24 V,4 A；電流表最大量程為3 A；滑動(dòng)變阻器最大阻值為50 Ω，最大可通過電流為2 A．

7 注意事項(xiàng)

(1)開始實(shí)驗(yàn)前要把指針調(diào)到刻度盤的中央．

(2)實(shí)驗(yàn)過程中電流比較大，不宜長(zhǎng)時(shí)間通電．

(3)在取放磁體時(shí)要輕拿輕放，以免損壞磁體．

(4)由于該磁鐵是強(qiáng)磁鐵，因此在實(shí)驗(yàn)的過程中不要將手表、手機(jī)等靠近磁鐵．