劉安巍

(重慶第三十中學(xué),重慶 400010)

依據(jù)F=BILsinθ,通過自制安培力探究儀試圖簡化物理實驗教學(xué)進程、提高教學(xué)質(zhì)量,最終儀器測得F關(guān)于B、F關(guān)于I、F關(guān)于L的數(shù)據(jù)近乎完美,但F關(guān)于θ角的數(shù)據(jù)卻誤差較大,通過深入實驗探究、反復(fù)琢磨發(fā)現(xiàn),用當前的實驗思路去探究F關(guān)于θ角的關(guān)系存在不可避免的系統(tǒng)誤差．

1 自制安培力探究儀原理

通電導(dǎo)線在磁場當中會受到力的作用,其大小為F=BILsinθ．

2 自制安培力探究儀零部件

漆包線矩形線圈、滑動變阻器、學(xué)生電源、學(xué)生電流表、電子秤(精度0.01 g)、釹鐵硼強磁、滑軌、角度盤、開關(guān)、導(dǎo)線、二極管、電池、指針、木板、刻度尺．

3 自制安培力探究儀組裝介紹

圖1 探究儀成品

安培力探究儀組裝成品如圖1所示．儀器分為兩大部分,如圖2所示為磁鐵活動框架部件;如圖3所示為核心轉(zhuǎn)軸部件．磁鐵活動框架部件主要用于固定強磁鐵,并在滑軌兩側(cè)分別裝有刻度尺,用于精準控制磁鐵的間距,框架底部有電子秤卡槽,右側(cè)有操作開關(guān)控制平臺,用于安裝電壓表、電流表、線圈匝數(shù)控制開關(guān)等,核心轉(zhuǎn)軸為核心部件用于鑲嵌固定線圈,頂端設(shè)有刻度盤．制作時先完成磁鐵活動框架,在依據(jù)框架尺寸制作轉(zhuǎn)軸部件,部件制作完成后排布線路、安裝測量儀表和控制開關(guān)等．

圖2 自制安培力探究儀外部框架

圖3 自制安培力探究儀中心轉(zhuǎn)軸

4 實驗探究過程

(1) 對磁感應(yīng)強度的測量有兩種方法,一種是直接用磁強傳感器,另一種用測得的已知量計算得出,日常教學(xué)中為提高學(xué)生探究能力可用實驗探究得出．例如表1為磁間距為6×10-2m時測得的磁感應(yīng)強度,多測幾組數(shù)據(jù)取平均值．

表1 磁感應(yīng)強度測量數(shù)據(jù)

將表1得出的5組數(shù)據(jù)求平均值,得出磁間距為6×10-2m時,磁感應(yīng)強度為9.2×10-3T．

(2) 控制B、I、θ不變,探究安培力F和有效長度L的關(guān)系,如表2所示．

表2 探究安培力F和有效長度L的關(guān)系

(3) 控制B、L、θ不變,探究安培力F和電流I的關(guān)系,如表3所示．

表3 探究安培力F和電流I的關(guān)系

(4) 控制I、L、θ不變,探究安培力F和磁感應(yīng)強度B的關(guān)系,如表4所示．為方便讀數(shù)記錄磁感應(yīng)強度變化用磁間距d表示．

表4 探究安培力F和磁感應(yīng)強度B的關(guān)系

(5) 控制B、I、L不變,探究安培力F和電磁θ角的關(guān)系,如表5所示．

表5 探究安培力F和電磁θ角的關(guān)系

(6) 測量數(shù)據(jù)探討,詳細如表6所示．

表6 各探究關(guān)系誤差范圍及平均值對比

5 實驗注意事項

(1) 電子秤讀數(shù)前一定要先清零,俗稱除皮．

(2) 讀取的數(shù)據(jù)需換算成國際單位,如電子秤讀出的數(shù)據(jù)單位為g,需換成N．

(3) 測量時要弄清楚電流方向,若線圈受到的安培力向上,則電子秤示數(shù)為負值,若安培力向下,則為正值．

6 系統(tǒng)誤差反思

6.1 通電線圈自身具有磁場

圖4 線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)磁場

6.2 強磁產(chǎn)生的磁場并非標準勻強磁場

用釹鐵硼強磁制造的磁場并非標準的勻強磁場,而是由兩塊方體強磁N、S面相對產(chǎn)生的．每一塊磁鐵的6個面均有3對磁極,這會使得裝置周圍分布有不可控制的“亂磁”,這些因素是產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的又一重要因素．