李志鋒 馬云霞

(江蘇省橫林高級(jí)中學(xué)，江蘇 常州 213101)

“探究影響通電導(dǎo)線的受力因素”是高中物理教學(xué)中的一個(gè)基本實(shí)驗(yàn),人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)3-1采用的實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示,采用如圖2裝置改變通電導(dǎo)體棒在磁場(chǎng)中長(zhǎng)度.導(dǎo)線通以電流,受到磁場(chǎng)的作用力而發(fā)生偏轉(zhuǎn),根據(jù)偏轉(zhuǎn)角的大小結(jié)合平衡知識(shí)確定安培力的大小,探究磁場(chǎng)對(duì)電流作用力的因素.

圖1

圖2

實(shí)際操作中會(huì)發(fā)現(xiàn),課本實(shí)驗(yàn)方案存在一些不足,如:圖1實(shí)驗(yàn),因磁鐵磁場(chǎng)相對(duì)較弱,現(xiàn)象不甚明顯,實(shí)驗(yàn)常常會(huì)受到其它擾動(dòng),通電導(dǎo)體難以穩(wěn)定平衡狀態(tài),兩懸線偏角度也會(huì)不同,難以方便測(cè)量,給探究帶來(lái)不便.用圖2探究安培力大小與磁場(chǎng)中通電導(dǎo)線受力長(zhǎng)度關(guān)系時(shí),各磁鐵磁性強(qiáng)弱和邊緣效應(yīng)不盡相同,磁場(chǎng)比較復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)結(jié)果不足以讓學(xué)生信服.

查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)有較多的改進(jìn)方案,例如,在兩平行正對(duì)的鐵片外側(cè)吸附數(shù)排銣鐵硼的強(qiáng)磁鐵,以增強(qiáng)的磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和寬度,[1]為減小導(dǎo)體棒重力增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的靈敏性,用錫箔卷成空心棒來(lái)代替金屬導(dǎo)體棒,[2]采用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等等.縱觀一些改進(jìn)實(shí)驗(yàn),還存在著一些不足,如磁場(chǎng)不能連續(xù)可調(diào),利用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,減弱了學(xué)生的參與度.為實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱的可控,提高實(shí)驗(yàn)的靈敏度,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果,提升學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中參與度,筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)如下.

圖3

1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示.圖中,A為迷你型電子珠寶稱(以下簡(jiǎn)稱電子稱),因其靈敏度很高,感量可以達(dá)到0.001 g,很適合用于安培力大小(力的單位為以“克力”計(jì));B為梯形導(dǎo)線框(繞成ab、ef、gh3個(gè)梯級(jí),為實(shí)驗(yàn)方便,與其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線根數(shù)分別為1、2、4根),用干電池對(duì)它供電,通過(guò)調(diào)整滑動(dòng)變阻器阻值以改變導(dǎo)線框中電流強(qiáng)度I的大小;C為鐵芯,P、Q為鐵軛(條形鐵芯).學(xué)生電源為勵(lì)磁線圈D提供勵(lì)磁電流,鐵軛間形成磁場(chǎng),對(duì)置于其中的通電線框的導(dǎo)線ab(或ef、gh)產(chǎn)生安培力的作用,改變勵(lì)磁電壓,即可改變磁場(chǎng)強(qiáng)弱(實(shí)驗(yàn)中也可以接入滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小,實(shí)現(xiàn)鐵軛間磁場(chǎng)的連續(xù)變化);M、N柔性螺旋型連接線,用其連接電路,以減小其它因素影響電子稱讀數(shù)的影響,提高精確度.

2 關(guān)于磁場(chǎng)

為了方便調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小,實(shí)驗(yàn)采用通電線圈的磁場(chǎng)來(lái)代替磁鐵的磁場(chǎng).為方便計(jì),本實(shí)驗(yàn)采用J2423可拆變壓器提供磁場(chǎng)(圖4)(亦可根據(jù)自己需要的鐵芯尺寸去淘寶定制).

圖4

在忽略漏磁的情況下,匝數(shù)為n的長(zhǎng)直通電螺線管內(nèi)通以勵(lì)磁電流I,則管內(nèi)的磁感強(qiáng)度大B=μ0nI,可知B與I成正比.[3]

3 線框的繞制

為線圈便于成型,可用線徑Φ=1 mm左右的普通絕緣導(dǎo)線繞制兩種線圈,如圖5(a)線框共一匝,ab長(zhǎng)度取4.5 cm(不能大于鐵軛間的最大可調(diào)距離6 cm,便于改變ab邊與磁場(chǎng)間的夾角),cd長(zhǎng)度略大于電子稱寬度,用于探究磁場(chǎng)對(duì)電流作用力與磁場(chǎng)和電流夾角間的關(guān)系.圖5(b) 線圈,共繞7匝,其中有1、2、4匝分別經(jīng)ab、fe、gh邊,構(gòu)成如圖形狀,用于探究磁場(chǎng)對(duì)電流作用力與電流強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系.考慮到變壓器鐵芯窗口高度的限制,ab、ef、gh間距取3.5 cm.ab與cd間距根據(jù)需要確定(筆者取24 cm).用廢棄的耳機(jī)線緊密纏繞在圓形鉛筆上,并置于開(kāi)水中浸泡成型,再冷卻后取下制成柔性螺旋型連接線M、N.

圖5

4 實(shí)驗(yàn)操作

4.1 探究磁場(chǎng)對(duì)電流作用力與磁場(chǎng)和電流夾角的關(guān)系

按圖3,用圖5(a)線圈豎直懸掛,cd擱在平放的電子稱上,ab水平置于P、Q間.打開(kāi)電子稱,此時(shí)電子稱的讀數(shù)為線圈重量.按電子稱Tare(皮重)鍵去皮歸零后,合上電鍵S1、S2,加上勵(lì)磁電壓(勵(lì)磁忌用交流電源),電子稱的讀數(shù)大小即為ab受到的磁場(chǎng)力大小.水平旋轉(zhuǎn)變壓器改變磁場(chǎng)方向(保證PQ間磁場(chǎng)始終水平),使磁場(chǎng)與電流夾角從90°到0°,即可根據(jù)電子稱觀察到安培力從有到無(wú)變化,探究磁場(chǎng)對(duì)電流作用力與電流和磁場(chǎng)夾角的關(guān)系.

4.2 探究磁場(chǎng)對(duì)電流作用力的方向與通電導(dǎo)棒電流方向、磁場(chǎng)方向的關(guān)系

讓PQ間磁場(chǎng)方向與ab垂直,改變ab中電流或磁場(chǎng)(勵(lì)磁電流)方向,電子稱的示數(shù)會(huì)呈現(xiàn)正值或負(fù)值,其正、負(fù)值與作用力的方向?qū)?yīng),負(fù)值表示磁場(chǎng)作用力方向向上(實(shí)驗(yàn)時(shí)為減小誤差,負(fù)值示數(shù)的絕對(duì)值不要超過(guò)線圈重量).借此可以探究電流、磁場(chǎng)、作用力3者的方向關(guān)系(見(jiàn)表1).

4.3 探究磁場(chǎng)對(duì)電流作用力與通電導(dǎo)棒長(zhǎng)度的關(guān)系

按圖3用圖5(b)線圈,按電子稱Tare鍵去皮歸零.合上電鍵,保持勵(lì)磁電壓和ab的電流不變,調(diào)整變壓器高度,分別讓ab、ef、gh垂直磁場(chǎng)置于鐵軛間(把ef、gh放于鐵軛間時(shí),相當(dāng)于在磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)體有效長(zhǎng)度是ab的2倍、4倍),記錄和分析電子稱示數(shù),即可找到磁場(chǎng)對(duì)電流作用力大小與磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)體長(zhǎng)度成正比的關(guān)系,操作簡(jiǎn)便.

4.4 探究磁場(chǎng)對(duì)電流作用力與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的關(guān)系

表1是使用J04003型高中學(xué)生電源作勵(lì)磁電源,800匝的線圈做勵(lì)磁線圈探究通電導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).

通電導(dǎo)線受到磁場(chǎng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度(勵(lì)磁電壓、鐵軛間距)關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表.

表1

(表中I=0.6 A與I=-0.6 A為電流方向相反)

圖6

圖7

圖8為鐵軛間距d=0.8 cm,電流I=0.6 A的ab導(dǎo)體在不同勵(lì)磁電壓U下受到的安培力F與U的關(guān)系.據(jù)圖可知,在誤差允許范圍內(nèi)F∝U，故有F∝B.

把電流反向(表中I=-0.6 A),電子稱顯示數(shù)為負(fù)值,表示磁場(chǎng)力的方向反向,它與電流方向有關(guān).

圖8

5 感想

基于學(xué)生已經(jīng)具備電流的磁效應(yīng)知識(shí),因此,實(shí)驗(yàn)中用變壓器勵(lì)磁代替磁鐵,學(xué)生自然能夠接受和理解.

影響磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用的因素較多.改進(jìn)后實(shí)驗(yàn),操作簡(jiǎn)便,可以用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),進(jìn)行定量探究.在諸多影響因素中,學(xué)生通過(guò)合理控制變量,探究磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用,厘清作用力與物理量值關(guān)系和空間關(guān)系,找到物理規(guī)律,利于提高學(xué)生的探究意識(shí)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?讓學(xué)生通過(guò)自己讀取數(shù)據(jù),享受實(shí)驗(yàn)過(guò)程的成功和樂(lè)趣,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和情懷.

科技的發(fā)展,給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了變革.傳感器等的應(yīng)用,有讓傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材束之高閣現(xiàn)象.合理利用傳統(tǒng)器材,進(jìn)行創(chuàng)意研究,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法,能給學(xué)生帶來(lái)啟迪.物理教學(xué)不僅是傳授物理知識(shí),更要重視學(xué)生實(shí)踐能力和綜合素養(yǎng)的提升,提高核心素養(yǎng)和創(chuàng)新能力.教師的創(chuàng)新熱情、思想、理念和行動(dòng)的影響著學(xué)生.教師在實(shí)驗(yàn)中的小小創(chuàng)意會(huì)激發(fā)學(xué)生的求知欲望和創(chuàng)新意識(shí).因此,實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)不在于實(shí)驗(yàn)本身,更在于潛在的教育價(jià)值.不積跬步,無(wú)以至千里.借用愛(ài)因斯坦一句話:思想和理念,才是每一理論的開(kāi)端.讓我們的小小創(chuàng)意,催醒學(xué)生創(chuàng)新的涌泉.