馬漢軍

(安徽省鳳陽中學(xué) 安徽 滁州 233100)

磁感應(yīng)強度是高中物理電磁學(xué)中很重要的一個概念，人教版教材《物理·選修3-1》第三章第2節(jié)中僅提出了通電導(dǎo)線在磁場中受力的定性探究實驗方案[1],實驗示意圖如圖1所示.

圖1 在勻強磁場中探究影響通電導(dǎo)線受力的因素

以下內(nèi)容，將詳細介紹自制定量探究儀及創(chuàng)新實驗方案.

1 儀器設(shè)計思路和工作原理

1.1 儀器設(shè)計思路

定量探究實驗對安培力的精確測量要求很高，然而現(xiàn)有的一些探究裝置存在著設(shè)備凌亂、操作繁瑣以及數(shù)據(jù)不精準等問題.針對這些問題，筆者結(jié)合新課標相關(guān)要求，創(chuàng)新了實驗方案，并利用生活中常用器件自制了定量探究儀，實現(xiàn)了磁感應(yīng)強度大小的定量探究.定量探究儀采用集成化、模塊化一體式精準測量的設(shè)計思路.它既可使用220 V外部交流電源也可使用內(nèi)置直流電源，且選用LM317調(diào)壓模塊代替了傳統(tǒng)的滑動變阻器，電路圖如圖2所示.

圖2 探究儀電路圖

1.2 儀器特點及工作原理

如圖3所示，該儀器采用模塊化安裝，具備集成度高、測量精準、擴展性強、操作方便等優(yōu)點.制作材料利用了一些廢舊器件和材料，例如使用了老式電視機中的廢舊變壓器，利用了裝修廢料免漆板等生活中的廢棄材料.儀器采用精度0.01 g金銀專用電子秤測量安培力F的大小，采用精度0.001 A數(shù)字電流表測量電流強度I的大小.

圖3 自制安培力探究儀和功能縮略圖

探究過程中，將自制多抽頭線圈上邊框垂直勻強磁場放置，下邊框放置在電子秤的壓力傳感器上，通電后上邊框受到豎直方向上的安培力，力值則通過儀器面板上的電子秤顯示模塊直觀顯示出來.

1.3 創(chuàng)新改進點

(1)采用LM317調(diào)壓模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滑動變阻器，通過調(diào)節(jié)精密多圈電位器，使調(diào)節(jié)過程中電流變化連續(xù)、穩(wěn)定， 測量更加精準.

(2)所使用的金銀專用電子秤精度為0.01 g，且具備清零功能.通過拆解再組裝，將壓力傳感器模塊與數(shù)字顯示模塊分離，將其顯示模塊與數(shù)字電流表模塊(精度0.001 A)集成安裝在豎直面板上，使數(shù)據(jù)的讀取更加直觀、方便.

(3)自制長方形木質(zhì)線圈框可繞制更多匝數(shù)的漆包線圈，從而顯著增大所受安培力.采用插拔式的模塊化連接，并通過多擋切換開關(guān)使線圈匝數(shù)可在50匝、100匝、150匝、200匝、250匝等多擋中快速切換，使探究過程更加方便、簡單.

(4)使用6條2排條形磁鐵代替蹄形磁鐵提供勻強磁場，磁極間距可通過兩個螺栓進行調(diào)節(jié)，從而改變磁場強弱，可定性探究安培力大小與磁感應(yīng)強度的關(guān)系.

(5)底座裝有4支可調(diào)節(jié)支腿，配合萬向水平儀調(diào)節(jié)底座的水平及面板的豎直.內(nèi)部集成有電池組和變壓器組成的雙電源，可使用內(nèi)部電池組，也可使用外部220 V交流電源，同時提供直流輸出端口，可作為可調(diào)直流電源使用.上述集成安裝，使該儀器具備較高的適應(yīng)性及擴展性.

2 實驗原理和實驗方法

2.1 實驗原理

采用精度0.01 g金銀專用電子秤測量安培力F的大小，采用精度0.001 A數(shù)字電流表測量電流強度I的大小.實驗采用控制變量法，進行以下探究：

(1)控制線圈匝數(shù)不變，改變電流I大小，定量探究安培力大小F與電流強度I的關(guān)系.

(2)控制電流大小不變，改變線圈匝數(shù)(通電導(dǎo)線長度)，定量探究安培力大小F與通電導(dǎo)線長度L的關(guān)系.

2.2 實驗方法

(1)線圈垂直于磁場放置在電子秤壓力傳感器上，將線圈匝數(shù)切換至100匝(也可為其他匝數(shù))，打開電子秤顯示屏，點擊“清零”按鈕.

(2)打開數(shù)字電流表，并接通電源開關(guān)(可使用內(nèi)部電池，也可連接外部220 V交流電).

(3)保持線圈匝數(shù)不變，調(diào)節(jié)電位器旋鈕使電流表示數(shù)為0.050 A，在表1中記錄電子秤示數(shù).繼續(xù)調(diào)節(jié)電流的大小為0.100 A，并記錄電子秤示數(shù)，再以0.050 A遞增電流并記錄電子秤示數(shù)(g取10 N·kg-1).

表1 探究安培力大小與電流強度的定量關(guān)系

(4)關(guān)閉電源，將線圈匝數(shù)切換至50匝，點擊電子秤的“清零”按鈕.

(5)接通電源并調(diào)節(jié)電位器旋鈕，使電流表示數(shù)為0.100 A(也可為其他電流值)，在表2中記錄電子秤示數(shù).

(6)關(guān)閉電源，將線圈匝數(shù)切換至100匝并清零，接通電源并調(diào)節(jié)電流大小仍為0.100 A，在表2中記錄電子秤示數(shù).再以50匝遞增線圈匝數(shù)并保持電流不變，重復(fù)操作并記錄電子秤示數(shù)在表2中(g取10 N·kg-1).

表2 探究安培力大小與導(dǎo)線長度(線圈匝數(shù))的定量關(guān)系

3 數(shù)據(jù)處理與實驗結(jié)果

如圖4所示，采用圖像法處理數(shù)據(jù)并得出結(jié)論：通電導(dǎo)線長度(線圈匝數(shù))一定時，F(xiàn)∝I;電流大小一定時F∝L.

(a)

(b)

(a)F-I關(guān)系

(b)F-L關(guān)系

(c)F-IL關(guān)系

4 結(jié)論

該實驗采用自制探究儀實現(xiàn)了精準的定量探究，得出了安培力大小F與電流強度I以及安培力大小F與通電導(dǎo)線長度L成正比的實驗結(jié)論，最終得出磁感應(yīng)強度的定義式.

采用該實驗方案，可讓學(xué)生在探究過程中獲取新知并對磁感應(yīng)強度概念的理解更加深刻，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習物理的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力與協(xié)作能力.