蔡少玲 裴熙 楊嘉航 李秀燕

（閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 漳州 363000）

人教版高中物理教材“磁感應(yīng)強度”［1］一節(jié)，“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”實驗方案存在一定的局限性，只能定性分析安培力與電流大小及導(dǎo)線有效長度的關(guān)系，還存在實驗現(xiàn)象不明顯、不全面、不嚴謹?shù)戎T多不足。為此，不少學(xué)者針對此實驗提出了各式改進方案［2-8］，有的是利用傳感器或集成化的方式，有的是利用電子秤或3D 打印的方式。無論是集成化、數(shù)字化還是3D 打印，均符合信息時代的主流趨勢，改進也各具創(chuàng)意。但實驗耗費的成本普遍較高，對學(xué)生前期的知識儲備也提出更高要求。若能先由傳統(tǒng)實驗搭建支架，再經(jīng)數(shù)字化實驗進一步驗證，將有助于設(shè)置更合理的實驗教學(xué)梯度，也符合學(xué)生的認識規(guī)律。鑒于此，同時保留實驗簡單、取材成本低的特點，本文擬用低廉的鋁箔對傳統(tǒng)實驗進行改進。

一、實驗改進

（一）受力直導(dǎo)線材質(zhì)的改進

受力直導(dǎo)線是指電路中受安培力作用的導(dǎo)線，人教版教材用金屬棒作為“懸掛的受力直導(dǎo)線”，出現(xiàn)實驗現(xiàn)象不明顯的現(xiàn)象。這歸因于金屬棒自重較大，而安培力又較小，使得金屬棒受磁場安培力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象不明顯。鑒于此，為達到“顯化”安培力的作用，本設(shè)計采用輕盈、低阻的鋁箔紙代替“懸掛的受力直導(dǎo)線”。而為了克服鋁箔紙脆弱柔軟、易變形的不足，巧妙利用過塑機對鋁箔紙進行過塑處理，過塑后，鋁箔紙的外層有了輕薄的過塑膜保護，整體變得硬挺、不易變形。

將過塑完的鋁箔裁剪出兩個“L”形鋁箔導(dǎo)線，而為保持鋁箔紙的導(dǎo)電性，要求鋁箔紙下端0.5cm 寬處裸露而不過塑，再將水平鋁箔紙的過塑部分與不過塑部分沿著折線對折，形成如圖1 所示的“L”形結(jié)構(gòu)。

圖1 “L”型鋁箔導(dǎo)線

（二）受力直導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的改進

將對稱的兩條“L”形鋁箔導(dǎo)線用塑料回形針重疊固定。通過改變兩截鋁箔導(dǎo)線重疊部分的長短，就可改變“受力導(dǎo)線”的有效長度，為了方便直接讀出該有效長度，可在鋁箔直導(dǎo)線上粘貼刻度貼紙。另外，為了減小鋁箔紙旋轉(zhuǎn)時的摩擦力，可將鋁箔上端的接線口繞成一個鋁箔圈，并用訂書釘固定；在上方橫梁的塑料固定環(huán)底端旋轉(zhuǎn)進一個螺絲釘，讓鋁箔圈支撐在螺絲釘?shù)募舛颂帲鳛殇X箔圈旋轉(zhuǎn)的支點。鋁箔直導(dǎo)線與外電路采用焊錫的方法連通起來，焊錫的點在訂書釘上，受力直導(dǎo)線的實物圖見圖2。

圖2 受力直導(dǎo)線實物圖

二、實驗原理

鋁箔直導(dǎo)線在安培力作用下會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，設(shè)偏轉(zhuǎn)鋁箔與豎直方向所成夾角為θ，則鋁箔所受的拉力T、安培力F、重力G方向如圖3，所示。則安培力F、重力G與偏轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系為：

圖3 受力圖

由于鋁箔直導(dǎo)線重力G一定，因此，分析安培力F的大小可轉(zhuǎn)換為分析偏轉(zhuǎn)角θ的大小來呈現(xiàn)。本實驗用量角器測量偏轉(zhuǎn)角θ的大小，通過定量分析tanθ與電流大小、直導(dǎo)線有效長度、磁感應(yīng)強度大小的關(guān)系，實現(xiàn)對安培力大小的定量分析。

鋁箔導(dǎo)線緊靠在大磁鐵上表面，鋁箔直導(dǎo)線的總長度為227mm，導(dǎo)線偏轉(zhuǎn)160 時下邊鋁箔導(dǎo)線上升的高度大約為9.0mm、寬度大約為2.5mm。此偏轉(zhuǎn)過程中下邊鋁箔直導(dǎo)線經(jīng)過的磁場區(qū)域較大，致使磁感應(yīng)強度改變也較大，不能簡單認為下邊鋁箔導(dǎo)線一直處在勻強磁場中。所以在實驗過程中需要保證下邊的鋁箔導(dǎo)線處于磁場的大致相同位置，以減小誤差。具體操作如下：可在磁鐵兩端加上刻度尺作為受力導(dǎo)線在磁場中的參照物，實驗過程中以下邊鋁箔直導(dǎo)線在豎直位置靠近直尺、水平位置位于直尺10cm 刻度這一位置作為基準，讀數(shù)前都需要調(diào)整蹄型磁鐵的位置，使得下邊鋁箔直導(dǎo)線處于該基準位置。調(diào)整鋁箔直導(dǎo)線的位置時，水平位置通過帶輪子的木板前后滾動調(diào)整，垂直位置通過升降臺上下調(diào)整，更加方便快捷。

三、實驗裝置圖

（一）電路圖

本實驗的電路由電源、滑動變阻器、電流表和受力導(dǎo)線串聯(lián)而成，見圖4。通過移動滑動變阻器可以改變電路中電流的大小，電流表的數(shù)值即為偏轉(zhuǎn)裝置的電流值。

圖4 電路圖

（二）受力框架實物圖

受力框架的實物圖見圖5。該裝置用蹄形磁鐵提供磁場。用一帶輪子的木板和升降臺來調(diào)整磁鐵的前后與上下位置，用量角器和指針測量鋁箔的偏轉(zhuǎn)角。

圖5 受力框架實物圖

四、實驗原理

（一）實驗過程

為了探究安培力大小與電流大小、直導(dǎo)線長短、磁感應(yīng)強弱的關(guān)系；分析電流方向、磁感應(yīng)強度方向、對安培力方向的影響，本實驗采用控制變量法，逐一進行實驗并分析。實驗前調(diào)整指針對準0 刻度線以保證鋁箔直導(dǎo)線的方向和磁感應(yīng)強度的方向相互垂直。

1.探究安培力大小與直導(dǎo)線有效長度的關(guān)系

移動滑動變阻器，將電路中電流大小固定為I=0.6A，改變疊加鋁箔導(dǎo)線的有效長度，從而改變其在磁場中的導(dǎo)線長度。讀偏轉(zhuǎn)角前注意調(diào)整蹄型磁鐵的位置，以保證下邊的鋁箔直導(dǎo)線所處的位置的磁感應(yīng)強度不變。用量角器測出鋁箔偏轉(zhuǎn)的角度，用刻度尺測出鋁箔直導(dǎo)線的有效長度L，實驗數(shù)據(jù)見表1，tanθ-L的關(guān)系曲線見圖6。由圖6 可知，tanθ-L成正比，可見，安培力的大小與通電直導(dǎo)線在磁場中的有效長度成正比關(guān)系。

表1 tan θ與L 關(guān)系記錄表

圖6 tan θ與L 關(guān)系圖

2.探究安培力大小與電流大小的關(guān)系

將疊加鋁箔導(dǎo)線的有效長度固定為L=15.3cm，并保持鋁箔直導(dǎo)線與蹄型磁鐵的相對位置不變。移動滑動變阻器，改變電路中電流大小，用量角器測量鋁箔偏轉(zhuǎn)的角度，用電流表測量鋁箔直導(dǎo)線的電流值I。讀偏轉(zhuǎn)角前同樣注意調(diào)整蹄型磁鐵的位置，以保證下邊的鋁箔直導(dǎo)線所處的位置的磁感應(yīng)強度不變。實驗數(shù)據(jù)見表1，tanθ-I關(guān)系曲線如圖7 所示。由圖7可知，tanθ-I基本成正比，由此可知，安培力與通電直導(dǎo)線的電流成正比關(guān)系。

表2 tan θ與I 關(guān)系記錄表

圖7 an θ與I 關(guān)系圖

3.探究安培力大小與磁感應(yīng)強度大小的關(guān)系

移動滑動變阻器，將回路電流固定為I=0.6A，將疊加鋁箔導(dǎo)線的有效長度固定為L=15.3cm。根據(jù)蹄型磁鐵的磁感線分布圖可知，在同一高度，蹄型磁鐵和下邊的鋁箔直導(dǎo)線的水平距離d越遠，磁感應(yīng)強度越弱。實驗時水平移動蹄型磁鐵，觀察鋁箔偏轉(zhuǎn)的角度。在表3 中記錄蹄型磁鐵到鋁箔直導(dǎo)線的距離及鋁箔直導(dǎo)線的偏轉(zhuǎn)角，結(jié)合表3 的數(shù)據(jù)，作出tanθ-d的關(guān)系曲線見圖8。由圖8 可知，蹄型磁鐵和下邊鋁箔直導(dǎo)線的水平距離d增大，tanθ隨之減小，即磁場的磁感應(yīng)強度越小，鋁箔直導(dǎo)線受到的安培力越小。

表3 tan θ與d 記錄表

圖8 tan θ與d 關(guān)系圖

4.探究通電導(dǎo)線受力的方向和電流與磁場方向的關(guān)系

移動滑動變阻器，將電路中電流大小固定為I=0.6A，疊加鋁箔導(dǎo)線的長度固定為15.3cm，保證導(dǎo)線與磁感應(yīng)強度垂直，對應(yīng)磁場方向豎直向上標示為↑，反之標示為↓；鋁箔直導(dǎo)線偏轉(zhuǎn)的方向用于判斷安培力的方向，并將安培力方向水平向左時標示為←，反之標示為→；磁場中導(dǎo)線電流的方向從里到外標示為?，反之標示為×。

通過分別改變磁場方向和電流的方向，觀察鋁箔偏轉(zhuǎn)方向，并把情況記錄在表4 中，由表4 的結(jié)果，可直觀呈現(xiàn)安培力的方向與電流方向和磁感應(yīng)強度的方向均有關(guān)，并由此可引導(dǎo)學(xué)生驗證左手定則。

表4 F 的方向與磁場方向和電流方向關(guān)系記錄表

（二）實驗結(jié)論

綜上所述，F(xiàn)∝L，F(xiàn)∝I，F(xiàn)∝B，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)安培力的計算公式為F=BLI，安培力的方向、磁感應(yīng)強度的方向、電流的方向滿足左手定則。

五、結(jié)語

本實驗的創(chuàng)新點：一是取材巧妙。用輕盈、低廉的鋁箔紙代替直導(dǎo)線，克服了教材直導(dǎo)線的弊端。二是裝置巧妙。由于該實驗的安培力較小，若直導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)時受到的摩擦力比較大，會產(chǎn)生很大的誤差，改進后的實驗是把直導(dǎo)線放在螺絲釘子的支點上，保證直導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)時所受摩擦力減小，有效減小了實驗的系統(tǒng)誤差。三是探究全面。既定量分析了偏轉(zhuǎn)角與各因素的關(guān)系，又定性分析了安培力方向的影響因素。