王明輝

摘 ?要：DISlab（Digital Information System laboratory數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室）是一種將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機組合起來，共同完成對物理量測量的裝置。利用DIS信息技術(shù)進行探究安培力大小的實驗，較好地解決了傳統(tǒng)實驗方案中存在的問題。能夠全面、精確地探究安培力大小與各種因素之間的定量關(guān)系，加深學(xué)生對安培力大小計算公式的理解，并提高學(xué)生利用現(xiàn)代信息技術(shù)自主探究、進行科學(xué)實驗的意識。

關(guān)鍵詞：DIS信息技術(shù);安培力;探究

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2019）5-0046-3

1 ? ?現(xiàn)有問題

探究安培力大小的影響因素是在學(xué)生學(xué)習(xí)磁場、磁感線概念之后，學(xué)習(xí)磁感應(yīng)強度之前的探究性實驗。通過控制變量法進行實驗探究，尋找磁場對通電導(dǎo)線的作用力大小與相關(guān)影響因素的定量關(guān)系。人教版教材[1]是通過通電導(dǎo)體棒在安培力作用下的偏移量來確定安培力大小的。教科版[2]用彈簧測力計測量線圈所受安培力。兩種實驗方案的問題在于對安培力大小的測量數(shù)據(jù)少。且均只能探究安培力與電流、導(dǎo)線處于磁場中的長度之間的關(guān)系，不能分析導(dǎo)線放置方向及磁場強弱對安培力的影響。

而利用朗威DISLab的微力傳感器、電流傳感器及安培力實驗器（如圖1）則可以探究安培力與導(dǎo)線和磁場夾角、電流、有效長度的關(guān)系，經(jīng)過器材改進，也可以探究磁場強弱對安培力大小的影響，為磁感應(yīng)強度概念學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，甚至可以利用實驗數(shù)據(jù)計算得出實驗中磁場的磁感應(yīng)強度大小。

2 ? ?基于DIS信息技術(shù)的實驗探究

2.1 ? ?實驗器材

DIS數(shù)字信息實驗系統(tǒng)，安培力實驗器，微力傳感器，電流傳感器，大、小U型磁鐵各一對，學(xué)生電源，滑動變阻器，導(dǎo)線若干。

2.2 ? ?實驗原理

影響安培力的因素有導(dǎo)線與磁場方向夾角、電流大小、導(dǎo)線有效長度、磁場強弱。實驗采用控制變量法，且后三個物理關(guān)系的探究是建立在導(dǎo)線垂直磁場放置的前提下，因此實驗應(yīng)先探究與夾角的關(guān)系。

學(xué)生電源電壓14 V，滑動變阻器。由于實驗中要使電流從零開始調(diào)節(jié)，因此選用滑動變阻器分壓接法。起始時使傳感器調(diào)零，滑片置于最左端。（如圖2）

2.3 ? ?實驗過程

2.3.1 ? ?探究F與導(dǎo)線和磁場方向夾角的關(guān)系

（1）定性分析：線圈選取100匝?；瑒幼冏杵骰糜谧钭蠖耍]合開關(guān)。移動滑片適當(dāng)增大通過線圈的電流。緩慢旋轉(zhuǎn)磁場，可以看到線圈所受磁場力隨之發(fā)生變化，導(dǎo)線垂直磁場時力最大，平行磁場時安培力為零。

（2）數(shù)據(jù)采集：點擊組合圖線，添加圖線，X軸為時間t，Y軸為力F。選取采樣頻率為500 Hz。點擊“開始”，同時使線圈從平行磁場位置開始旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)10～15個周期后點擊停止。

（3）數(shù)據(jù)處理：由于初始階段磁體旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)，因此選取旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后的圖像，點擊圖像分析“擬合”，進行正弦擬合。如圖3所示。

（4）結(jié)論：磁鐵勻速旋轉(zhuǎn)時，導(dǎo)線所受安培力隨時間按正弦規(guī)律變化。說明當(dāng)其他條件不變，只改變導(dǎo)線在磁場中的放置方向時，通電導(dǎo)線所受磁場力F與導(dǎo)線和磁場夾角滿足正弦關(guān)系。

2.3.2 ? ?探究F與I的關(guān)系

（1）固定變量：線圈選取100匝，閉合開關(guān)后，移動滑片適當(dāng)增大通過線圈的電流為任一數(shù)值。旋轉(zhuǎn)磁場，使線圈所受磁場力最大，旋緊磁體轉(zhuǎn)盤控制片，固定磁場方向。

（2）采集數(shù)據(jù)：點擊添加數(shù)據(jù)表格，選取采樣時間為2 s，點擊“開始”，同時滑片從最左端開始緩慢向右移動，使通過線圈的電流基本均勻增加，滑片移動全程采樣20組數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)處理：將實驗數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel表格中，選取F、I數(shù)據(jù)，添加散點圖;選取數(shù)據(jù)點，點擊右鍵“添加趨勢線”，選取線性并顯示公式。如圖4所示。

（4）結(jié)論：當(dāng)保持導(dǎo)線垂直磁場放置，且導(dǎo)線在磁場中長度不變時，所受安培力與導(dǎo)線中電流大小成正比。

2.3.3 ? ?探究F與L的關(guān)系

（1）線圈選取200匝。重復(fù)2.3.2的步驟。

（2）將實驗數(shù)據(jù)復(fù)制到步驟2.3.2數(shù)據(jù)的同一個Excel中。選取100匝數(shù)據(jù)圖像，點擊右鍵“選擇數(shù)據(jù)”，點擊“添加”。選擇200匝電流數(shù)據(jù)作為X軸，F(xiàn)數(shù)據(jù)作為Y軸，點擊確定。選擇200匝數(shù)據(jù)點，點擊右鍵“添加趨勢線”，選擇“線性”“顯示公式”。如圖5所示。

（3）結(jié)論：導(dǎo)線垂直磁場放置時，所受磁場力大小與導(dǎo)線所通電流大小I和處于磁場中的長度L之積成正比。

2.3.4 ? ?探究F與磁場強弱的關(guān)系

（1）線圈選取200匝。將安培力實驗器中的磁鐵分別更換為兩個對接的大U型磁鐵（如圖6所示）、一個大U型磁鐵、兩個對接的小U型磁鐵、一個小U型磁鐵。分別重復(fù)步驟2.3.3中的操作。得到圖像如圖7所示。

（2）結(jié)論：導(dǎo)線垂直磁場放置且處于磁場中的長度不變時，通電導(dǎo)線所受磁場力F與導(dǎo)線中電流I的比值與磁場強弱有關(guān)。

3 ? ?實驗反思

本實驗設(shè)計方案充分利用DIS信息技術(shù)，與教材中所例舉的兩個實驗比較，存在如下優(yōu)點：

（1）實驗可測數(shù)據(jù)多，實驗結(jié)果可信度大，數(shù)據(jù)精確。其中，探究F與L的關(guān)系中，雖然只有100匝、200匝兩組長度可調(diào)節(jié)，但是與電流變化相結(jié)合共同采集數(shù)據(jù)，更有利于學(xué)生得出導(dǎo)線垂直磁場放置時，所受安培力F與電流I和導(dǎo)線長度L的乘積IL成正比的結(jié)論。

（2）實驗可充分探究安培力與各因素之間的關(guān)系。有利于學(xué)生充分了解安培力與各因素之間的定量關(guān)系。實驗中更換安培力實驗器的磁鐵，來實現(xiàn)改變磁場強弱，是本實驗的一個改進創(chuàng)新點，可以更直觀地看到磁場強弱對安培力大小的影響。但需要注意的是實驗中磁場強弱不能單純以磁鐵大小來區(qū)分。

（3）實驗提供一種測量勻強磁場磁感應(yīng)強度的方法?？梢岳脤嶒灢襟E3、4中的圖像斜率結(jié)合導(dǎo)線有效長度，利用F=nBIL計算出線圈底邊所處的勻強磁場磁感應(yīng)強度。

（4）實驗充分體現(xiàn)了物理教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)的整合，采用DIS傳感器進行實驗，讓學(xué)生更快速、直觀地得出相關(guān)結(jié)論。有利于學(xué)生了解、應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)來解決問題，提高學(xué)生的探究能力和解決實際問題的能力。

參考文獻：

[1]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準實驗教科書物理選修3-1[M].北京：人民教育出版社，2015：83-84.

[2]教育科學(xué)出版社.普通高中課程標(biāo)準實驗教科書物理選修3-1[M].北京：教育科學(xué)出版社，2014：85-86.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）