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        簡易實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)精確測(cè)定安培力與各變量關(guān)系

        2020-05-18 11:55:28胡科杰
        物理通報(bào) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:安培力紐扣磁鐵

        胡科杰 戎 杰

        (浙江省慈溪中學(xué) 浙江 寧波 315300)

        郭 拯

        (浙江省慈溪市教研室 浙江 寧波 315300)

        新課程標(biāo)準(zhǔn)注重從“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)維度培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).“通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力——安培力”這節(jié)教學(xué)內(nèi)容能全面地從4個(gè)維度培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng),然而教材中演示實(shí)驗(yàn)效果的低效,嚴(yán)重影響了教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn).為此,能否直觀、精確、定量地探究安培力大小與各變量的關(guān)系,直接影響安培力教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)的解決,從而影響學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

        1 研究背景與現(xiàn)狀

        圖1是教材中演示安培力的實(shí)驗(yàn)裝置圖,該裝置通過測(cè)量懸掛導(dǎo)線的擺角來定量研究安培力的大小,擺角越大安培力越大.通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來改變電流大小,通過改變導(dǎo)線接線柱位置來改變放置在磁場(chǎng)中的導(dǎo)線長度,通過改變磁鐵個(gè)數(shù)來改變磁感應(yīng)強(qiáng)度大小.實(shí)際研究發(fā)現(xiàn),只能定性研究得到隨著電流的增大、接入導(dǎo)線長度的增加、磁鐵個(gè)數(shù)的增加都能使擺角變大,進(jìn)而說明安培力的增大.

        (a)

        (b)

        由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在問題和裝置靈敏度的原因,本裝置是無法實(shí)現(xiàn)精確、定量地探究安培力大小與各變量的關(guān)系,也無法測(cè)量電流與磁場(chǎng)有一定夾角θ時(shí)安培力與夾角θ的關(guān)系.

        基于上述原因,許多物理教師做了很多實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì),普遍采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

        圖2 教師普遍采用的改進(jìn)設(shè)計(jì)后的實(shí)驗(yàn)裝置圖

        利用力傳感器進(jìn)行研究,非常成功地定量研究了安培力與各變量的關(guān)系.對(duì)此類實(shí)驗(yàn),有兩個(gè)特點(diǎn):(1)實(shí)驗(yàn)裝備要求較高,學(xué)校必須配備數(shù)字實(shí)驗(yàn)設(shè)備.(2)對(duì)教師自身素養(yǎng)要求較高,需要教師熟練操作數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).

        2 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

        為解決數(shù)字實(shí)驗(yàn)設(shè)備貴,難操作的問題,筆者借鑒幾位教師的構(gòu)想,設(shè)計(jì)如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置,標(biāo)有角度的白紙置于電子天平上,將多粒紐扣型強(qiáng)磁鐵(可網(wǎng)購)疊加后固定于紙上.線圈固定于鐵架臺(tái)上,置于磁鐵上方,線圈抽頭分別為100,200,400,800匝.電子秤先清零,實(shí)驗(yàn)開始后,電子秤顯示線圈對(duì)磁鐵的作用力,反作用力即為線圈所受安培力.

        圖3 筆者設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置

        3 實(shí)驗(yàn)探究

        3.1 探究安培力F與電流I的關(guān)系

        采用2個(gè)紐扣磁鐵疊加垂直線圈放置于電子秤上,線圈匝數(shù)100,即保持B,L,θ不變,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,增大電流,得到F∝I,如圖4所示.

        圖4 F-I圖像

        3.2 探究安培力F與導(dǎo)線長度L的關(guān)系

        線圈匝數(shù)分別為100,200,400,800,線圈邊長0.07 m,即相當(dāng)于接入導(dǎo)線長度分別為7 m,14 m,28 m,56 m.紐扣磁鐵取2個(gè),電流I=0.16 A,即保持B,I,θ不變,得到F∝L,如圖5所示.

        圖5 F-L圖像

        3.3 探究安培力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系

        取紐扣電池分別為2,4,6,8,10個(gè),實(shí)驗(yàn)前設(shè)想磁感應(yīng)強(qiáng)度B可能均勻增大,保持I=1 A,L,θ不變時(shí),設(shè)想實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到F∝B.實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)得,F(xiàn)與磁鐵個(gè)數(shù)的比值逐漸減小,并非隨磁鐵個(gè)數(shù)的增加而均勻增加,猜想原因應(yīng)該是線圈所在位置的B并未與磁鐵個(gè)數(shù)成正比,但由比值變化規(guī)律推測(cè),在勻強(qiáng)磁場(chǎng)情況下,F(xiàn)應(yīng)與B成正比.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

        圖6 F-B圖像

        3.4 探究安培力F與電流磁場(chǎng)夾角θ的關(guān)系

        旋轉(zhuǎn)磁鐵底座,改變電流與磁場(chǎng)夾角θ的大小,同時(shí)保持B,L,I不變,得到F隨θ角的變化情況.如圖7所示,圖線顯示為正弦,由此可以得到F安=ILBsinθ,同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場(chǎng)反向時(shí),力也改變方向.

        圖7 F-θ圖像

        4 裝置分析

        (1)器材簡單易購,易組裝.

        (2)通過改變電流大小、方向,研究安培力與電流關(guān)系,連接不同抽頭實(shí)現(xiàn)改變導(dǎo)線長度,研究安培力與長度的關(guān)系,操作簡單.

        (3)通過改變紐扣型磁鐵個(gè)數(shù),改變磁感應(yīng)強(qiáng)度大小,研究安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系,操作直觀.

        (4)通過旋轉(zhuǎn)磁鐵在電子秤上的角度,研究安培力與磁場(chǎng)電流夾角的關(guān)系,操作靈活.

        (5)實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確可信,實(shí)現(xiàn)安培力的定量探究.

        (6)唯一存在的問題,紐扣型強(qiáng)磁鐵形成非勻強(qiáng)磁場(chǎng),有一定欠缺.

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