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        宏觀轉(zhuǎn)微觀
        ——巧解安培力方向之疑

        2023-10-09 00:55:48廣州市南沙第一中學(xué)霍英糧陳振朗
        發(fā)明與創(chuàng)新 2023年28期
        關(guān)鍵詞:磁場(chǎng)方向實(shí)驗(yàn)

        ◆廣州市南沙第一中學(xué) 霍英糧 陳振朗

        在新粵教版的物理選擇性必修二教材第一章第一節(jié)“安培力的大小和方向”的內(nèi)容中,對(duì)方向的探究只呈現(xiàn)了磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流方向垂直的情況,而在大小的描述中,只給出了“當(dāng)通電直導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向平行時(shí),通電直導(dǎo)線所受安培力的大小為零”的結(jié)論,從理論上得出了安培力的一般表達(dá)式F=BILsinθ。然而,按書本上的實(shí)驗(yàn)裝置難以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)方向與電流方向平行的或有一定夾角的探究。

        同學(xué)們不滿足于理論結(jié)果,想通過(guò)實(shí)驗(yàn)“看到”理論推導(dǎo)的結(jié)論?;诖耍覀?cè)噲D設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證兩個(gè)現(xiàn)象:1.當(dāng)通電導(dǎo)線的電流方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí),通電導(dǎo)線不受安培力;2.當(dāng)電流方向與磁場(chǎng)方向有一定夾角(銳角)時(shí),通電導(dǎo)線受安培力,并能直觀看到安培力方向。

        圖/圖蟲創(chuàng)意

        一、初次實(shí)驗(yàn)

        (一)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        使用空心銅管充當(dāng)通電導(dǎo)線,用相向的兩個(gè)強(qiáng)釹磁鐵制造小范圍的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。當(dāng)空心銅管受到水平方向的力時(shí),可在水平導(dǎo)軌上滾動(dòng)。除此之外,在該裝置下放一臺(tái)靈敏電子秤,檢測(cè)銅管豎直方向上受到的力。連接電路,開(kāi)始實(shí)驗(yàn),如圖1。

        圖1

        (二)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

        安裝好強(qiáng)釹磁鐵,使磁場(chǎng)方向與電流方向平行。閉合開(kāi)關(guān),銅管沒(méi)有移動(dòng),電子秤示數(shù)無(wú)變化。

        改變強(qiáng)釹磁鐵的位置,使電流方向與磁場(chǎng)方向在水平面存在一定夾角,理論分析銅管應(yīng)在豎直方向上受到安培力的作用。然而,當(dāng)我們閉合開(kāi)關(guān)后,銅管并沒(méi)有移動(dòng),電子秤示數(shù)也無(wú)變化。

        (三)分析問(wèn)題

        我們分析了電路及操作過(guò)程,發(fā)現(xiàn)了以下問(wèn)題。

        1.在兩次實(shí)驗(yàn)中,電子秤示數(shù)都無(wú)變化,可能是在豎直方向未受到安培力。也可能是所受安培力太小,電子秤無(wú)法測(cè)量到。

        2.在兩次實(shí)驗(yàn)中,銅管都沒(méi)有移動(dòng),說(shuō)明沒(méi)有受到水平方向的力,但無(wú)法說(shuō)明豎直方向的安培力是否存在。

        3.空心銅管太輕,與導(dǎo)軌接觸不良,可能導(dǎo)致電路中沒(méi)有電流。

        4.電流和磁場(chǎng)太弱,導(dǎo)致安培力太小,現(xiàn)象不明顯。

        基于以上可能性原因,我們經(jīng)過(guò)多次討論,覺(jué)得該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在缺陷,結(jié)論不具備說(shuō)服力。

        運(yùn)用學(xué)過(guò)的知識(shí),比如帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力、電流是大量電荷的定向移動(dòng)等,我們覺(jué)得可以從微觀角度入手再次開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

        二、再次實(shí)驗(yàn)

        (一)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        電流是通電導(dǎo)線內(nèi)自由電子定向移動(dòng)形成的,電子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用,宏觀體現(xiàn)為安培力。因此我們借來(lái)了一臺(tái)洛倫茲力演示器,利用里面的勵(lì)磁線圈形成勻強(qiáng)磁場(chǎng),用陰極射線管產(chǎn)生電子,探究電子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況,如圖2。

        圖2

        (二)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

        把陰極射線管放入勵(lì)磁線圈中央,勵(lì)磁線圈通電后,我們可以清楚地看到兩個(gè)現(xiàn)象:1.當(dāng)磁場(chǎng)方向與電子發(fā)射方向平行時(shí),電子沿原方向直線射出,無(wú)偏移,如圖3;2.當(dāng)磁場(chǎng)方向與電子發(fā)射方向在水平面存在一定夾角時(shí),電子向上或向下偏移,如圖4。

        圖3

        圖4

        (三)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

        現(xiàn)象1 說(shuō)明,磁場(chǎng)方向與電流方向平行時(shí),確實(shí)沒(méi)有受到安培力。現(xiàn)象2 說(shuō)明,磁場(chǎng)方向與電流方向處于同一水平面并存在一定夾角時(shí),受到安培力的影響,且安培力的方向?yàn)樨Q直向上或豎直向下。

        由此我們找到了初次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,磁感應(yīng)強(qiáng)度方向與電流方向有一定夾角時(shí),銅管不動(dòng)的原因:這時(shí)銅管受安培力的方向是豎直的。

        三、實(shí)驗(yàn)感悟

        通電銅管在磁場(chǎng)中不動(dòng)時(shí),不能輕易定下銅管不受安培力作用的結(jié)論,也有在其他方向受力的可能。眼見(jiàn)不一定為實(shí),動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭覀兏玫赝高^(guò)現(xiàn)象看到事物的真面目。

        “山重水復(fù)疑無(wú)路,柳暗花明又一村?!庇龅铰闊┗驘o(wú)法看到我們預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí),換角度想辦法,堅(jiān)持不放棄,結(jié)果總能帶給我們驚喜。

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