任建方

(紹興魯迅中學(xué)，浙江 紹興 312000)

1 教材實(shí)驗(yàn)的不足

圖1 教材實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)選自人教版選修3-1《磁感應(yīng)強(qiáng)度》一節(jié)“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”，實(shí)驗(yàn)方案如圖1所示： 三塊相同的蹄形磁鐵并列放在桌上，可以認(rèn)為磁極間的磁場(chǎng)是均勻的.將一根直導(dǎo)線水平懸掛在磁鐵的兩極間，導(dǎo)線的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向(由下向上)垂直.有電流通過(guò)時(shí)導(dǎo)線將擺動(dòng)一個(gè)角度，通過(guò)擺動(dòng)角度的大小可以比較導(dǎo)線受力的大小.分別接通“2、3”和“1、4”可以改變導(dǎo)線通電部分的長(zhǎng)度.電流由外部電路控制.先保持導(dǎo)線通電部分的長(zhǎng)度不變，改變電流的大小；然后保持電流不變，改變導(dǎo)線通電部分的長(zhǎng)度.觀察兩個(gè)因素對(duì)導(dǎo)線受力的影響.該方案有以下三點(diǎn)不足之處：

1.1 不定量

實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量導(dǎo)體棒懸線的擺角間接求出導(dǎo)體棒受力的大小，但是由于導(dǎo)體棒通電后受力小，導(dǎo)致擺角太小，且很難維持平衡狀態(tài)，難以精確測(cè)量，無(wú)法完成定量的研究.

1.2 不全面

沒(méi)有探究導(dǎo)線與磁感應(yīng)強(qiáng)度的夾角對(duì)受力的影響，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)無(wú)法改變導(dǎo)線與磁感應(yīng)強(qiáng)度的夾角，只能研究導(dǎo)線與磁感應(yīng)強(qiáng)度相互垂直時(shí)的受力情況，導(dǎo)致學(xué)生在此后安培力的學(xué)習(xí)中往往忽略?shī)A角這個(gè)影響因素.對(duì)安培力認(rèn)識(shí)不夠全面.

實(shí)驗(yàn)也沒(méi)有探究導(dǎo)線受力方向的影響因素，只局限于探究導(dǎo)線棒受力大小的影響因素，對(duì)導(dǎo)線受力方向的影響因素并未作研究，在后面安培力的教學(xué)中也只是直接給出“左手定則”的結(jié)論來(lái)判斷安培力的方向.

1.3 不合理

在沒(méi)有具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐情況下，教材直接給出F=BIL的定量結(jié)論，這不符合物理學(xué)科以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)的學(xué)科特點(diǎn)，也不符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律

2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示，通過(guò)赫姆霍茲線圈提供勻強(qiáng)磁場(chǎng)，利用電子秤測(cè)量多匝線框受到的安培力，具體改進(jìn)如下.

圖2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.1.1 利用電子秤測(cè)量安培力的大小和方向

電子秤的精度是0.01 g，把力的測(cè)量精確到1×10-4N，可以較精確測(cè)量出導(dǎo)線受安培力的大小，而且電子秤帶有清零功能，可以在每次測(cè)量安培力之前清零從而消除導(dǎo)線(及線框)自身重力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響.保證每次電子秤顯示的示數(shù)都是對(duì)應(yīng)要測(cè)量的安培力.并且在清零以后，受到安培力向下電子秤示數(shù)為正，力向上示數(shù)為負(fù)，可以直觀的判斷出導(dǎo)線受安培力的方向

2.1.2 利用多匝線圈替代導(dǎo)體棒

由于實(shí)驗(yàn)提供的磁場(chǎng)較弱，導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度短所以安培力比較小，為了提高實(shí)驗(yàn)的精確性，利用多匝線圈增加了導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度，放大力的作用效果，從而減小相對(duì)誤差.并且可以通過(guò)改變線圈匝數(shù)實(shí)現(xiàn)改變導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度的目的.

2.1.3 利用赫姆霍茲線圈提供勻強(qiáng)磁場(chǎng)

利用赫姆霍茲線圈提供勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)均勻，范圍大.線圈可以整個(gè)放進(jìn)磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)中任意改變放置位置.從而可以探究通電導(dǎo)線受力與導(dǎo)線和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的夾角的關(guān)系.

赫姆霍茲線圈也叫勵(lì)磁線圈，教材3-1第三章第六節(jié)涉及的“洛倫茲力演示儀”，正是利用此線圈提供勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一般高中實(shí)驗(yàn)室都有配備，我們可以就地取材，很容易就可以得到大范圍的勻強(qiáng)磁場(chǎng).并且可以通過(guò)改變勵(lì)磁電流的方向從而改變磁場(chǎng)方向，方便研究導(dǎo)線受力方向的影響因素.

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1 探究通電導(dǎo)線受力與電流的關(guān)系

保持導(dǎo)線的長(zhǎng)度不變( 接入電路的線圈為250匝) ，勵(lì)磁電流不變即勻強(qiáng)磁場(chǎng)恒定，導(dǎo)線與磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直，接通電路前先把電子秤調(diào)零，可以排除外力對(duì)測(cè)量的影響.接通電路后，利用滑動(dòng)變阻器改變導(dǎo)線中的電流大小，觀察對(duì)應(yīng)導(dǎo)線受力的大小，并記錄數(shù)據(jù)，如表1所示.

表1

圖3

2.2.2 探究通電導(dǎo)線受力與導(dǎo)線長(zhǎng)度的關(guān)系

圖4 多匝線圈

保持電路中電流大小恒定(電流I=0.4 A)，勻強(qiáng)磁場(chǎng)恒定，導(dǎo)線與磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直，改變線框接入電路匝數(shù)即改變導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度，如圖4所示(單匝線圈有效長(zhǎng)度為0.10 m).每次接通電路前先把電子秤清零，可以保證通電后電子秤示數(shù)測(cè)量的只是代表安培力的大小.而且每次匝數(shù)改變后由于線框接入電路部分的電阻不同，需要調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器控制電路中的電流恒定，從而觀察對(duì)應(yīng)導(dǎo)線受力的大小，并記錄數(shù)據(jù)如表2所示.

表2

圖5

2.2.3 探究通電導(dǎo)線受力與導(dǎo)線和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的夾角的關(guān)系

保持導(dǎo)線的長(zhǎng)度不變( 接入電路的線圈為 250 匝) ，電路中電流大小恒定(電流I=0.4 A)，勻強(qiáng)磁場(chǎng)大小不變，只改變導(dǎo)線與磁感應(yīng)強(qiáng)度夾角，記錄對(duì)應(yīng)力的大小如表3所示.

表3

2.2.4 探究通電導(dǎo)線受力方向的影響因素

通過(guò)改變勵(lì)磁線圈的電流方向，可以改變勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向，分別把順時(shí)針和逆時(shí)針勵(lì)磁電流對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)方向記作垂直線圈向里(×)和垂直線圈向外(·),電子稱顯示的正負(fù)記作安培力方向豎直向下(↓)和豎直向上(↑).磁場(chǎng)中導(dǎo)線電流的方向從左到右和從右到左分別記作向右(→)和向左(←)，分別只改變電流方向、磁場(chǎng)方向探究導(dǎo)線受力的方向，并把情況記錄如表4所示.

表4 探究通電導(dǎo)線受力方向數(shù)據(jù)

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

分別根據(jù)表1、表2、表3數(shù)據(jù)，利用Excel圖表功能，自動(dòng)得到F-I，F(xiàn)-L，F(xiàn)-θ關(guān)系圖，如圖3、5、6所示，由圖可知F∝I，

F∝L，F(xiàn)∝sinθ，根據(jù)表4數(shù)據(jù)，可以得到導(dǎo)線受力方向符合左手定則.綜上所述可以得到全面的結(jié)論：通電導(dǎo)線在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中受力大小F=kILsinθ(k為比例系數(shù))，受力方向符合左手定則.

2.4 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1) 創(chuàng)新定量：通過(guò)自制實(shí)驗(yàn)儀器，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案可以定量探究導(dǎo)線受力大小的影響因素

(2) 測(cè)量精確：電子秤測(cè)量力的精度精確到10-4N；利用多匝線框替代導(dǎo)體棒放大力的作用效果，減小了相對(duì)誤差；利用勵(lì)磁線圈提供勻強(qiáng)磁場(chǎng)相比于馬蹄形磁鐵的磁場(chǎng)減小了由于邊緣效應(yīng)引起的誤差

(3) 全面探究：全面探究導(dǎo)線受力大小和受力方向的影響因素，讓學(xué)生對(duì)通電導(dǎo)線在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中受力的影響因素有全面的認(rèn)識(shí)，也為此后學(xué)習(xí)安培力打下扎實(shí)的基礎(chǔ).

(4) 簡(jiǎn)便直觀：實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，器材簡(jiǎn)單，容易獲取，并把成套儀器固定于木板上，方便搬運(yùn)也便于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀，數(shù)據(jù)處理快捷，實(shí)驗(yàn)結(jié)論明確.

3 結(jié)束語(yǔ)

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，首先一定要實(shí)事求是，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明規(guī)律，用實(shí)驗(yàn)事實(shí)闡述真理，這也體現(xiàn)了物理學(xué)科以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科特點(diǎn)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度.其次要注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新，善于反思，樂(lè)于挑戰(zhàn)的創(chuàng)新精神.最后還要努力培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，教材中“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”的實(shí)驗(yàn)定位于教師演示實(shí)驗(yàn)，我們通過(guò)自制學(xué)具的形式，讓學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，并且可以采用分組實(shí)驗(yàn)的形式，讓學(xué)生自己總結(jié)歸納出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.這樣既培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，又提高了課堂效率.