茍麗娟 唐 林 宋培文

(四川省南充高級(jí)中學(xué),四川 南充 637900)

教科版高中物理選修3-1“磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用——安培力”一節(jié)中,實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)設(shè)置了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置,一通電線圈置于U型磁鐵兩極之間,有電流通過時(shí),通電線圈受到向下的安培力,對(duì)線圈受力分析,重力與安培力之和等于彈簧的彈力,故彈力減去重力即為安培力.

圖1 教材原圖

該實(shí)驗(yàn)裝置較簡(jiǎn)單,操作較方便,但也有不足之處.第一,由于安培力比較小,彈簧測(cè)力計(jì)精度不夠,無法準(zhǔn)確測(cè)量安培力的大小;第二,該裝置調(diào)節(jié)電流大小比較麻煩,也存在精準(zhǔn)問題,同時(shí)探究安培力與長(zhǎng)度的關(guān)系每次實(shí)驗(yàn)需要更換線圈,操作復(fù)雜;第三,該裝置無法定量探究安培力與磁場(chǎng)強(qiáng)弱、磁場(chǎng)方向與電流方向夾角的關(guān)系,學(xué)生無法理性分析并理解安培力大小計(jì)算公式.本文引進(jìn)力傳感器,數(shù)據(jù)采集器、恒定電源、轉(zhuǎn)盤等儀器自制實(shí)驗(yàn)教具,可以直接定量精準(zhǔn)探究安培力與電流、導(dǎo)線長(zhǎng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)弱、磁場(chǎng)與電流夾角的關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)教具構(gòu)造及原理

1.1 實(shí)驗(yàn)教具設(shè)計(jì)原理及實(shí)物圖

1. 電腦顯示器; 2. 傳感器信息采集模塊; 3. 恒流學(xué)生電源; 4. 電流輸出接線; 5. 底座; 6. 壓力傳感器; 7. 支架; 8. 磁體放置臺(tái); 9. 長(zhǎng)方形強(qiáng)磁鐵; 10. 矩形線圈; 11. 正極接線柱; 12. 負(fù)極接線柱; 13. 角度刻度盤; 14. 角度指針; 15. 轉(zhuǎn)軸.

圖2 儀器裝置圖

圖3 儀器裝置實(shí)物圖

1.2 實(shí)驗(yàn)教具及原理介紹

① 底座(5)與支架(7)固定保證儀器的穩(wěn)定性.

② 轉(zhuǎn)軸(15)下豎直懸掛粗細(xì)合適的矩形線圈(10),可通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸(15)可改變矩形線圈(10)底邊電流的方向.

③ 長(zhǎng)方形強(qiáng)磁鐵(9)兩塊,由于面積較大,其中心區(qū)域可看成水平勻強(qiáng)磁場(chǎng),矩形線圈(10)兩豎直邊受安培力抵消,底邊受到豎直向上的安培力F,則磁體(9)受到等大的豎直向下的安培力反作用力.

④ 長(zhǎng)方形磁體(9)與磁體放置臺(tái)(8)放置在壓力傳感器(6)上,壓力傳感器(6)受到增大的豎直向下的壓力即安培力大小,通過傳感器信息采集模塊(2)轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入電腦顯示器(1)軟件.

⑤ 壓力傳感器軟件APP可設(shè)置去皮功能,直接測(cè)量顯示安培力大小,但即使在強(qiáng)磁鐵、強(qiáng)電流的環(huán)境下,安培力仍然很小,可以設(shè)置將力放大200倍顯示.

⑥ 恒流電源(3)可按需調(diào)節(jié)輸出需要大小的恒定電流,通過電源輸出接線(4)分別與正接線柱(11)及負(fù)接線柱(12)連接使得恒定電流輸入到矩形線圈(10)中.

⑦ 負(fù)接線柱(12)總共5組,分別接入不同的線圈匝數(shù):50匝、100匝、150匝、200匝、250匝,接入不同匝數(shù)的線圈表示接入通電導(dǎo)線長(zhǎng)度L不同.

⑧ 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸(15),當(dāng)矩形線圈(10)底邊導(dǎo)線電流與磁場(chǎng)方向相同時(shí),角度指針(14)指向角度刻度盤(13)上0°刻度線上,轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸(15)改變電流方向時(shí),角度指針(14)可直接讀出電流與磁場(chǎng)夾角,探究安培力與角度的關(guān)系.

⑨ 磁體放置臺(tái)(8)外側(cè)磁體盒可以增添磁體,增強(qiáng)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱,從而實(shí)現(xiàn)探究安培力與磁場(chǎng)強(qiáng)弱的關(guān)系.

2 實(shí)驗(yàn)演示過程及數(shù)據(jù)分析

2.1 F-I的關(guān)系

保持線圈匝數(shù)為150匝(導(dǎo)線長(zhǎng)度)不變、磁場(chǎng)強(qiáng)弱不變,B⊥I時(shí),力放大200倍.改變電流分別為:0.00 A、0.50 A、1.00 A、1.50 A、2.00 A、2.50 A時(shí)測(cè)出安培力大小記入表格(表1)并作出圖像如圖4.

得出結(jié)論:其他條件不變時(shí),F與I成正比

表1 F與電流關(guān)系記錄表

圖4 F與I關(guān)系圖

2.2 F-L的關(guān)系

保持電流、磁場(chǎng)不變,B⊥I時(shí),力放大200倍.改變?cè)褦?shù)分別為:50匝、100匝、150匝、200匝、250匝時(shí)測(cè)出安培大小記入表格(表2)并作出圖像如圖5.

表2 F與長(zhǎng)度關(guān)系記錄表

圖5 F與L關(guān)系圖

得出結(jié)論:其他條件不變時(shí),F與L成正比

2.3 F-θ的關(guān)系

保持線圈匝數(shù)150匝(導(dǎo)線長(zhǎng)度)不變、電流1.50 A不變、磁場(chǎng)強(qiáng)弱不變,力放大200倍.改變夾角分別為:0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°測(cè)出安培大小記入表格(表3)并作出圖像如圖6、圖7所示.

表3 F與夾角關(guān)系記錄表

圖6 F與θ關(guān)系圖

圖7 F與sinθ關(guān)系圖

得出結(jié)論:其他條件不變時(shí),F與θ不成正比,F與sinθ成正比.

2.4 F-磁場(chǎng)強(qiáng)弱的關(guān)系

保持線圈匝數(shù)150匝(導(dǎo)線長(zhǎng)度)、電流1.50 A不變,B⊥I時(shí),力放大200倍.不加磁鐵和增加磁鐵分別測(cè)量安培力大小記入數(shù)據(jù)表格如表4.

表4 F與磁場(chǎng)強(qiáng)弱的關(guān)系記錄表

得出結(jié)論:其他條件不變時(shí),磁場(chǎng)越強(qiáng)、安培力越大.

2.5 引導(dǎo)學(xué)生分析得出結(jié)論:安培力大小計(jì)算公式為F=BILsinθ.

3 結(jié)束語

為了更加精確探究安培力與影響因素的關(guān)系,本文引進(jìn)力傳感器、恒定電源、轉(zhuǎn)盤、線圈、量角器等儀器自制實(shí)驗(yàn)教具,可以直接定量精準(zhǔn)地探究安培力與影響因素的關(guān)系,同時(shí)也可以用于測(cè)定磁感應(yīng)強(qiáng)度大小,幫助學(xué)生理解磁感應(yīng)強(qiáng)度概念,在教學(xué)中起到了較好的效果.物理是一門極為抽象的實(shí)驗(yàn)學(xué)科,學(xué)生在改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置操作過程中學(xué)可以提升物理學(xué)科科學(xué)素養(yǎng),有利于學(xué)生的終生發(fā)展.每一個(gè)教具創(chuàng)作、設(shè)計(jì)過程都是充滿艱辛與不易,在此向所有奮斗在實(shí)驗(yàn)室的研究者致敬.