探究安培力大小的新實(shí)驗(yàn)

新課程標(biāo)準(zhǔn)提倡學(xué)生的自主、合作的探究學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生具有一定的質(zhì)疑能力，信息收集和處理能力，分析、解決問(wèn)題能力和交流、合作能力。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)非常好的橋梁，然而教材中的有些實(shí)驗(yàn)，如果一味按教材去做，要么不易成功，要么現(xiàn)象不明顯。因此在學(xué)習(xí)中需要師生合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和改進(jìn)，并且使學(xué)生經(jīng)歷過(guò)程，體驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。

1 教材的講述

關(guān)于安培力的大小，教材實(shí)驗(yàn)是將三塊相同的蹄形磁鐵并列放置，可認(rèn)為磁極間的磁場(chǎng)是均勻的，將一根直導(dǎo)線(xiàn)懸掛在磁鐵的兩極間，通電時(shí)，觀察導(dǎo)線(xiàn)擺動(dòng)的一個(gè)角度，通過(guò)角度我們可以比較安培力的大小，分別接通導(dǎo)線(xiàn)中的不同部分來(lái)改變導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度，電流由外部控制，先保持導(dǎo)線(xiàn)通電部分長(zhǎng)度不變，改變電流大小，然后保持電流不變，改變導(dǎo)線(xiàn)通電部分的長(zhǎng)度，觀察這兩個(gè)因素對(duì)磁場(chǎng)力的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通電導(dǎo)體長(zhǎng)度一定時(shí)，電流越大，導(dǎo)線(xiàn)所受安培力就越大，電流一定時(shí)，通電導(dǎo)線(xiàn)越長(zhǎng)，安培力也越大。教材直接給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論即通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到的安培力的大小，與導(dǎo)線(xiàn)得長(zhǎng)度L成正比，由于與導(dǎo)線(xiàn)中的電流I成正比，即與I和L的乘積IL成正比，用公式表示為F=BIL。［1］

此實(shí)驗(yàn)操作中效果不明顯，也是直接給出一個(gè)定量表達(dá)式。因而需要在教學(xué)中和學(xué)生一起探究改進(jìn)，使得效果更好。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康莫?/p>

證明通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受安培力的定量表達(dá)式是：F=BIL

2.2 工作原理

磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力叫安培力，安培力（F）與磁感強(qiáng)度（B）電流強(qiáng)度（I）通電導(dǎo)體的長(zhǎng)度（L）有關(guān)，那么我們可以通過(guò)控制變量法，保持其中的兩個(gè)量不變，看F與其余一個(gè)量的關(guān)系，進(jìn)行定量探討，得出安培力F等于磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）電流強(qiáng)度（I）通電導(dǎo)體的長(zhǎng)度（L）三者的乘積即F=BIL。安培力的大小可以根據(jù)物理人教版第二冊(cè)188頁(yè)B組習(xí)題啟示用天平測(cè)量（圖2）。［1］當(dāng)導(dǎo)體中有電流通過(guò)時(shí)，天平不平衡，給左盤(pán)加入砝碼或調(diào)解游碼達(dá)到重新平衡斷開(kāi)電路時(shí)，可將天平上讀出的值乘以重力加速度g即為安培力的大小。電源可以用蓄電池或低壓大電流演示電源，電流大小用滑動(dòng)變阻器控制，從電流表上讀出。導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度用漆包線(xiàn)制作成50匝、100匝、150匝……的矩形線(xiàn)圈代替，匝數(shù)不同通過(guò)磁場(chǎng)中的導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度就不同。磁體是使通電導(dǎo)體受力且直接影響受力大小的重要因素之一，裝置對(duì)磁體的要求不僅要提供強(qiáng)磁場(chǎng)，而且強(qiáng)磁場(chǎng)的區(qū)域要大一些，對(duì)此我們可以用若干塊小磁塊（圓柱形或長(zhǎng)方體型）并起來(lái)，組成一塊大的“板”型磁體或一塊大的“蹄”形磁鐵（圖3）［2］。用小磁鐵的多少控制磁場(chǎng)強(qiáng)弱。工作電路裝置如圖1所示。

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2.3 實(shí)驗(yàn)器材

低壓大電流演示電源、滑動(dòng)變阻器R、電鍵K、天平、線(xiàn)圈、電流表、可控制磁場(chǎng)（圖3）

2.4 操作與演示

（1）將所需器材按工作電路原理圖組裝起

來(lái)，將矩形線(xiàn)圈接在A、B兩端懸掛在天平的右盤(pán)上，保持矩形線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中的部分與磁場(chǎng)方向垂直。（注意安裝儀器時(shí)電鍵應(yīng)打開(kāi)）

（2）采用控制變量法，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，讓電流控制為某一定值，用一給定匝數(shù)的線(xiàn)圈接入電路A、B端，即電流I和通電導(dǎo)線(xiàn)L不變，用增加柱形小磁鐵的個(gè)數(shù)來(lái)改變磁感應(yīng)度B。調(diào)節(jié)天平重新平衡讀出數(shù)據(jù)，制出表格分析測(cè)量出的數(shù)據(jù)，可見(jiàn)F與B成正比。

（3）采用上述方法，讓磁鐵個(gè)數(shù)和接入電路中的線(xiàn)圈不變，盡量保持強(qiáng)磁場(chǎng)，即磁場(chǎng)強(qiáng)度B和通電導(dǎo)線(xiàn)L不變。用滑動(dòng)變阻器控制電流的變化（讓其整數(shù)倍增加或減小），調(diào)節(jié)天平重新平衡讀出天平的測(cè)量結(jié)果和電流表顯示數(shù)據(jù)，制出表格分析測(cè)量的數(shù)據(jù)，可見(jiàn)F與I成正比。

（4）讓磁鐵個(gè)數(shù)和滑動(dòng)變阻器的阻值不變，即磁感應(yīng)強(qiáng)度B和通電導(dǎo)線(xiàn)中的電流I不變，盡量保證強(qiáng)磁場(chǎng)大電流。將不同匝數(shù)的線(xiàn)圈接入電路A、B端，即接入電路中的通電導(dǎo)體的長(zhǎng)度發(fā)生變化。調(diào)節(jié)天平重新平衡讀出天平的測(cè)量結(jié)果和記錄接入電路中的匝數(shù)，制出表格分析測(cè)量的數(shù)據(jù)，得出F與L成正比。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

安培力在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在通電導(dǎo)線(xiàn)與磁場(chǎng)方向垂直的情況下，電流所受的安培力F等于磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）電流強(qiáng)度（I）通電導(dǎo)體的長(zhǎng)度（L）三者的乘積，即：F=BIL。

此實(shí)驗(yàn)提出問(wèn)題，改進(jìn)了課本上的實(shí)驗(yàn)，其取材方便，學(xué)生可以自己動(dòng)手制作。這將有利于培養(yǎng)學(xué)生汲取信息，動(dòng)手創(chuàng)作，合作交流的探究學(xué)習(xí)能力。使學(xué)生逐步培養(yǎng)起良好的科學(xué)素養(yǎng)及創(chuàng)新思維品質(zhì)，有利于學(xué)生的終身學(xué)習(xí)，有利于全面提高受教育者的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

［1］人民教育出版社物理室編著，全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書(shū)（必修加選修）.物理第二冊(cè)［M］.北京：人民教育出版社.2006.11第二版：P155~156.P168

［2］陶洪.物理實(shí)驗(yàn)論［M］.南寧：廣西教育出版社.1999，P108

(欄目編輯王柏廬)