秦格格 韓斯佩 彭小牛 吳維寧

［摘 要］利用智能手機(jī)內(nèi)置的傳感器和Phyphox軟件，在物理課堂中開展創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)，研究通電螺線管周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度與哪些因素有關(guān)及其定量關(guān)系，在開闊學(xué)生眼界的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］Phyphox軟件；通電螺線管；磁感應(yīng)強(qiáng)度

［中圖分類號(hào)］ ? ?G633.7 ? ? ? ?［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號(hào)］ ? ?1674-6058（2024）02-0053-03

在人教版高中物理必修第三冊(cè)第十三章第一節(jié)“磁場 磁感線”的微課實(shí)踐教學(xué)中，筆者受到啟發(fā)：要感知磁場的存在，除了可以通過觀察磁鐵的相互作用過程、小磁針的偏轉(zhuǎn)、磁粉的分布等，還可以利用德國亞琛工業(yè)大學(xué)開發(fā)的一款免費(fèi)的物理實(shí)驗(yàn)軟件Phyphox中的磁傳感器功能。通過Phyphox軟件中的數(shù)值或圖像可直觀顯示磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向［1］。

在“磁場 磁感線”一節(jié)的教學(xué)中，教師應(yīng)結(jié)合學(xué)生已在初中掌握相關(guān)基本概念的情況，著重加深學(xué)生對(duì)通電螺線管周圍的磁場的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生深入學(xué)習(xí)“磁感應(yīng)強(qiáng)度”這個(gè)定量描述磁場強(qiáng)弱的物理量。為了進(jìn)一步研究通電螺線管周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布及其影響因素，激發(fā)學(xué)生的探究熱情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)，筆者利用Phyphox中的磁傳感器功能進(jìn)行了教學(xué)拓展［2］［3］。

一、提出猜想

學(xué)生在學(xué)習(xí)了電流的磁效應(yīng)之后，提出猜想：影響通電螺線管周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度的因素可能有三個(gè)，即電流大小、線圈匝數(shù)以及線圈內(nèi)部有無鐵芯。根據(jù)控制變量法將研究分成三步：改變電路中的電流大小，研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流大小的關(guān)系；改變線圈匝數(shù)，研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈匝數(shù)的關(guān)系；控制線圈中有無鐵芯，研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈中有無鐵芯的關(guān)系。

二、細(xì)化研究任務(wù)

（一）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路

實(shí)驗(yàn)原理圖和裝置圖如圖1（a）（b）所示。實(shí)驗(yàn)中，電流從電源正極流出，流經(jīng)電流表、滑動(dòng)變阻器、通電螺線管再回到負(fù)極，通過滑動(dòng)變阻器就可以實(shí)現(xiàn)改變電路中的電流大小。將通電螺旋管靠近手機(jī)，再利用手機(jī)內(nèi)置的傳感器和Phyphox軟件實(shí)現(xiàn)探測。

（二）確定手機(jī)內(nèi)磁傳感器的位置以及軸線方位

（1）確定磁傳感器的位置

讓條形磁鐵在手機(jī)周圍空間移動(dòng)，觀察Phyphox軟件中磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)且僅當(dāng)條形磁鐵靠近手機(jī)攝像頭位置時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度[B]的波形圖出現(xiàn)峰值，于是推測手機(jī)內(nèi)磁傳感器位于攝像頭附近位置。

（2）確定磁傳感器的軸線方位

為了確定手機(jī)內(nèi)磁傳感器的軸線方位，我們將通電螺線管長軸方向分別平行于手機(jī)三維幾何對(duì)稱軸，通過Phyphox軟件中磁力計(jì)記錄磁場變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，手機(jī)內(nèi)置的磁傳感器是沿著手機(jī)幾何z軸方向，如圖2所示［4］。

（三）消除地球磁場的影響

基于通電螺線管周圍磁場與地球磁場的大小在數(shù)量級(jí)上相當(dāng)，因此我們計(jì)劃采用分量分離的方法來減少地球磁場的影響，即選取地球磁場分量近似為零的方向?yàn)闃?biāo)定方向，將通電螺旋管周圍磁場的方向調(diào)整為平行該標(biāo)定方向，從而減少地球磁場的影響。具體操作過程如下：將手機(jī)放置在遠(yuǎn)離磁性物質(zhì)位置，利用Phyphox軟件中磁傳感器的校準(zhǔn)功能，以及通過在水平桌面上旋轉(zhuǎn)手機(jī)，測得地球磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度（～47 μT）及x、y、z軸三個(gè)方向的分量，選取x軸分量為零的方向?yàn)闃?biāo)定方向，調(diào)整通電螺線管位置，使其產(chǎn)生的磁場只有x軸分量，即可消除地球磁場的影響［5］。

三、開展定量研究

（一）研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流大小的關(guān)系

1.實(shí)驗(yàn)步驟

打開Phyphox軟件，確定通電螺線管位置，消除地球磁場的影響。接通電源，保持通電螺線管位置不變，改變滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值，記錄對(duì)應(yīng)的電流大小，觀察磁感強(qiáng)度隨電流變化的過程（[B-I]圖像），如圖3所示。

2.數(shù)據(jù)分析

選取不同電流值，得到對(duì)應(yīng)電流下的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，記錄數(shù)據(jù)如表1所示［6］。

數(shù)據(jù)擬合處理發(fā)現(xiàn)，通電螺線管周圍的磁感強(qiáng)度[B]隨回路電流[I]線性增大，如圖4所示，這與理論解析結(jié)果自洽相符，證明了通電螺線管周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度成正比例關(guān)系［7］。

（二）研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈匝數(shù)的關(guān)系

1. 實(shí)驗(yàn)步驟

保持通電螺線管和手機(jī)相對(duì)位置不變，保持滑動(dòng)變阻器接入阻值不變，只改變線圈匝數(shù)，觀察恒定電流下磁感強(qiáng)度隨線圈匝數(shù)變化的過程（[B-N]圖像），如圖5所示。

2.數(shù)據(jù)分析

選取不同線圈匝數(shù)，得到恒定電流下不同匝數(shù)對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度[B]，記錄數(shù)據(jù)如表2所示。

數(shù)據(jù)擬合處理發(fā)現(xiàn)，通電螺線管周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度[B]隨線圈匝數(shù)[N]線性增大（如圖6），這與理論解析結(jié)果一致，證明了通電螺線管周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈匝數(shù)成正比例關(guān)系。

（三）研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈中有無鐵芯的關(guān)系

1.實(shí)驗(yàn)步驟

保持通電螺線管和手機(jī)相對(duì)位置不變，保持滑動(dòng)變阻器接入阻值不變，保持線圈匝數(shù)不變，觀察恒定電流下線圈中有鐵芯和無鐵芯時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化過程，如圖7所示。

2.數(shù)據(jù)分析

如圖7所示，當(dāng)控制電路電流為1 A時(shí)，線圈中的鐵芯保持原位置不變，觀察發(fā)現(xiàn)[B]值出現(xiàn)脈沖，記錄數(shù)據(jù)；保持電路電流為1 A，拔出鐵芯，保持線圈位置不變，圖中再次出現(xiàn)一個(gè)脈沖，但[B]值大小發(fā)生明顯變化。

抽放鐵芯，得到恒定電流下有鐵芯和無鐵芯時(shí)對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度[B]，記錄數(shù)據(jù)如表3所示。

通過數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)通電螺線管中有鐵芯時(shí)，線圈周圍磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度較大；反之，當(dāng)通電螺線管中無鐵芯時(shí)，線圈周圍磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度較小。

四、結(jié)果分析

根據(jù)3次探究實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知，通電螺線管周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流大小、線圈匝數(shù)、線圈中有無鐵芯有關(guān)。通電螺線管周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流大小、線圈匝數(shù)成正比例關(guān)系，通電螺線管中有鐵芯時(shí)，線圈周圍磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，反之則較小。

利用手機(jī)內(nèi)置的傳感器和Phyphox軟件在課堂中開展創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)，不僅能使實(shí)驗(yàn)過程更加便捷，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，還能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，開闊學(xué)生的眼界，更為教師開展全新的、更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)提供了契機(jī)。利用這種方法可有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)誤差大的問題，大大提高實(shí)驗(yàn)的效率，提升教學(xué)效果［8］。

需要注意的是，在實(shí)驗(yàn)開始前，需要用Phyphox軟件測量周圍環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。由于手機(jī)本身的性能也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成誤差，因此可讓學(xué)生自主開展該實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更多，結(jié)論更準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)效果更佳。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ］

［1］ ?焦政翰，田建民，田博雅.基于Phyphox磁力傳感器的三種物理實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］.中學(xué)物理，2023（9）：51-55.

［2］ ?何璐，祖米熱姆·伊馬木，方偉.phyphox軟件介紹及其在物理教學(xué)中的應(yīng)用［J］.物理通報(bào)，2020（2）：101-104，108.

［3］ ?饒迪，程敏熙，李錫均.智能手機(jī)傳感器在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用綜述［J］.物理通報(bào)，2019（4）：123-128.

［4］ ?洪婷婷，肖莉，曹海賓.基于手機(jī)軟件Phyphox地磁場三要素的測量［J］.物理通報(bào)，2023（2）：91-94.

［5］［6］ ?張瀠尹.利用PhyPhox軟件研究通電直導(dǎo)線周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2023（2）：50-52.

［7］ ?王俊博.定量研究通電螺線管磁場的強(qiáng)弱［J］.物理教師，2008（11）：29.

［8］ ?楊銀海.通電螺線管內(nèi)部磁感線分布的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思考［J］.中學(xué)物理，2014（23）：40-41.

（責(zé)任編輯 黃春香）