探究磁感應(yīng)強(qiáng)度和通電導(dǎo)線長(zhǎng)度與電流定量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王呈平

一、設(shè)計(jì)的思想

磁感應(yīng)強(qiáng)度是中學(xué)物理電磁學(xué)中的一個(gè)很重要的概念。對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度與通電導(dǎo)線和電流的定量關(guān)系，普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3—1（人教版）既沒(méi)有安排學(xué)生實(shí)驗(yàn)，也沒(méi)有列入課題研究，而只是通過(guò)一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)觀察通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力的定性關(guān)系，最后說(shuō)用“分析了很多實(shí)驗(yàn)后”總結(jié)得出了公式：B=F/IL。公式中B—磁感應(yīng)強(qiáng)度、F—導(dǎo)線受到的安培力、I—導(dǎo)線中的電流、L—通電直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度。

高中物理中通過(guò)學(xué)生自主探究得出物理規(guī)律的教學(xué)顯得尤為重要，此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)遵循新課改的教學(xué)理念與要求，設(shè)計(jì)了學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出磁感應(yīng)強(qiáng)度與通電導(dǎo)線和電流大小的定量關(guān)系。

我們知道，電場(chǎng)最基本的性質(zhì)是對(duì)放入其中的電荷產(chǎn)生力的作用，為了研究電場(chǎng)的強(qiáng)弱，我們可以引入一個(gè)試探電荷，研究此試探電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)所受靜電力的大小，采用控制變量法，改變?cè)囂诫姾傻碾娏亢推湓陔妶?chǎng)中的位置，從而得出了電場(chǎng)強(qiáng)度是取決于電場(chǎng)本身性質(zhì)的物理量，并給出了電場(chǎng)強(qiáng)度定義。

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想類比于電場(chǎng)強(qiáng)度的定義方法。前面的學(xué)習(xí)使我們已知，磁場(chǎng)的最基本性質(zhì)是對(duì)放入其中的磁體和電流有力的作用。所以我們可以通過(guò)研究磁體在磁場(chǎng)中所受的力來(lái)研究磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。但是，磁體都有兩個(gè)磁極，單獨(dú)的N極不能存在，任何磁體在磁場(chǎng)中靜止時(shí)所受合力都為零，因此不能通過(guò)測(cè)磁極在磁場(chǎng)中所受的力來(lái)研究磁場(chǎng)強(qiáng)弱。磁場(chǎng)除了對(duì)磁體有力的作用以外，對(duì)通電導(dǎo)線也有力的作用，我們可以通過(guò)測(cè)出磁場(chǎng)對(duì)電流的作用來(lái)研究磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。

為此，我們先引入試探電流元的概念：很短的一段通電導(dǎo)線中的電流I與導(dǎo)線長(zhǎng)度L的乘積IL叫做電流元（類似于研究電場(chǎng)時(shí)的試探電荷）。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

以學(xué)生原有的認(rèn)知為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，從而在科學(xué)的探究活動(dòng)中構(gòu)建科學(xué)新概念。通過(guò)測(cè)定通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受力的大小和電流強(qiáng)度與位于磁場(chǎng)中導(dǎo)線長(zhǎng)度的關(guān)系來(lái)研究磁感應(yīng)強(qiáng)度和二者的定量關(guān)系。

2.實(shí)驗(yàn)原理和方法

實(shí)驗(yàn)中明確“垂直放入磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)線會(huì)受到磁場(chǎng)力的作用”。在磁場(chǎng)中垂直磁場(chǎng)方向放入一段直導(dǎo)線，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電流的通斷，用里傳感器測(cè)出通電時(shí)導(dǎo)線所受力的大小；通過(guò)控制變量的方法來(lái)研究導(dǎo)線中電流大小和位于磁場(chǎng)中導(dǎo)線長(zhǎng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)弱的關(guān)系。

3.實(shí)驗(yàn)器材

兩組磁性不同的磁鐵（每組至少三對(duì)異名磁極），相同輕質(zhì)直導(dǎo)線若干條，鐵架臺(tái)，直流電源，開(kāi)關(guān)，靈敏電流計(jì)，滑動(dòng)變阻器，絕緣細(xì)線若干，連接導(dǎo)線若干。

4.實(shí)驗(yàn)裝置

由此我們可以得出：通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的大小與電流成正比，與位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體長(zhǎng)度成正比。

最后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，從而探究得出磁感應(yīng)強(qiáng)度與通電導(dǎo)線長(zhǎng)度和電流的定量關(guān)系。