安培力定量分析演示儀的改進(jìn)

王玉涵，代 偉，羅 潔，鄒 勤，王 丹

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637002)

安培力定量分析演示儀的改進(jìn)

王玉涵，代 偉，羅 潔，鄒 勤，王 丹

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637002)

對現(xiàn)有安培力演示儀進(jìn)行了改進(jìn)，利用可調(diào)直流電源改變電流的大小和方向，通過對調(diào)磁極可改變磁場的方向，通過移動磁極之間的距離可改變磁場的強(qiáng)弱，通過改變線圈抽頭接線柱可改變通電導(dǎo)體的長度. 利用該儀器可定量探究安培力的大小和方向與通電導(dǎo)體長度、電流的大小和方向以及磁場強(qiáng)度的關(guān)系.

安培力；定量分析；力傳感器

“安培力——磁場對通電導(dǎo)線的作用力”是高中物理中重要的概念，因?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度的概念是建立在安培力基礎(chǔ)上的，在涉及到電磁感應(yīng)的各章也都出現(xiàn)安培力的概念[1]. 同時利用安培力的電器設(shè)備在生活和生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，所以安培力是高中物理的知識核心[2]. 新課標(biāo)對安培力的教學(xué)要求為：通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識安培力，并會判斷安培力的方向，學(xué)會計算勻強(qiáng)磁場中的安培力大小[3]. 鑒于此，定量探究安培力的實(shí)驗(yàn)是教學(xué)的重要內(nèi)容. 為了達(dá)到定量分析探究安培力的目的，筆者對現(xiàn)有安培力演示儀進(jìn)行了改進(jìn). 改進(jìn)后的儀器能很好地突破安培力定量探究這一教學(xué)難點(diǎn)，并且儀器具有操作簡單、實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度高等優(yōu)點(diǎn).

1 原有安培力演示儀存在的不足

高中物理教科版(選修3-1)[1]第3章第2節(jié)對安培力的實(shí)驗(yàn)探究中教材給出的演示裝置如圖1所示，運(yùn)用裝置可驗(yàn)證磁場對通電導(dǎo)線有力作用，即安培力存在，儀器可定性地演示安培力與電流及磁場強(qiáng)度可能的關(guān)系. 但由于裝置本身的缺陷及測量儀器靈敏度不高，無法定量地探究安培力與導(dǎo)線長度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場與電流方向的正弦值的關(guān)系，然而定量地探究并得出安培力與電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度等物理量的對應(yīng)關(guān)系是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)，所以需要對演示裝置進(jìn)行改進(jìn)文獻(xiàn)[3]在一定程度上彌補(bǔ)了教材演示裝置的不足，但在實(shí)驗(yàn)過程中需要更換測量線圈，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器改變電流大小，需要串聯(lián)電流表測量電流大小，不便操作. 實(shí)驗(yàn)裝置也無法直接探究測量當(dāng)通電導(dǎo)體與磁場成一定的夾角θ時安培力與θ的關(guān)系，所以該儀器也明顯存在不足.

圖1 安培力演示裝置

2 改進(jìn)的安培力演示儀

針對原有安培力演示儀的不足，筆者制作了安培力定量分析探究演示儀，其結(jié)構(gòu)如圖2所示. 儀器有一底座，底座上安裝有固定力傳感器的支架，有抽頭的線圈懸掛在力傳感器上，懸掛線圈時要讓線圈不能轉(zhuǎn)動，線圈的抽頭引到底板的接線柱上(抽頭有500，700，900，1 100匝). 在底座上安放了刻有角度的圓形轉(zhuǎn)盤，圓盤可繞圓心轉(zhuǎn)動. 2塊方形磁鐵(15 cm×10 cm)通過有機(jī)玻璃框隔開安放在圓形轉(zhuǎn)盤上，測量線圈置于磁場中，需要時可讓磁鐵繞中心旋轉(zhuǎn)，磁極之間的間距通過更換不同寬度的有機(jī)玻璃框(寬度有5 cm，7.5 cm，10 cm，12.5 cm，15 cm)來實(shí)現(xiàn).

圖2 安培力定量分析探究演示儀

3 實(shí)驗(yàn)探究

安培力定量分析探究演示儀可定性探究安培力的存在及方向，還可定量探究安培力與通電導(dǎo)體的長度、電流的大小、磁場的強(qiáng)弱以及安培力與電流與磁場成θ角時的關(guān)系.

1) 定性探究安培力的存在以及與電流、磁場的方向關(guān)系.

將可調(diào)直流電源正負(fù)極分別與所選接線柱相連，力的傳感器通過數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)相連(調(diào)零)，線圈底端與磁場方向垂直，當(dāng)線圈通電后觀察力傳感器示數(shù)變化，可知磁場對通電導(dǎo)線具有力的作用. 保持磁鐵位置不動改變電流的方向，或電流方向不變對調(diào)磁鐵位置，力傳感器示數(shù)由正變負(fù). 由于安培力、電流、磁場3者方向遵從左手定則，力傳感器示數(shù)由正變負(fù)說明安培力的方向發(fā)生改變.

2) 定量探究安培力與電流大小的關(guān)系.

保持接入的線圈匝數(shù)(500匝,導(dǎo)線長50 m)和2塊磁鐵間的距離(10 cm，磁感應(yīng)強(qiáng)度為27.2 MT)不變，線圈與磁場垂直，通過可調(diào)電源改變通過調(diào)節(jié)線圈的電流I的大小，記錄相應(yīng)的安培力F的數(shù)值(如表1所示)，通過WPS數(shù)據(jù)處理可得電流I與安培力F的關(guān)系圖作圖如圖3所示.

表1 安培力F隨電流I的變化

圖3 安培力與電流關(guān)系圖

3) 定量探究安培力與導(dǎo)線長度的關(guān)系.

保持2塊磁鐵間的距離(10 cm，磁感應(yīng)強(qiáng)度27.2 MT)及電流大小不變(0.2 A)，線圈處于與磁場垂直狀態(tài)，改變接入的抽頭線圈接線柱(抽頭分別為500,700,900,110匝)，改變接入的導(dǎo)線長度L(L=50,70,90,110 m)，記錄相應(yīng)安培力F大小(如表2所示)，由WPS畫出安培力與導(dǎo)線長度關(guān)系圖，如圖4所示.

表2 安培力F隨通電導(dǎo)體長度L的變化

圖4 安培力與導(dǎo)線長的關(guān)系圖

4)定量探究安培力與磁場強(qiáng)度的關(guān)系.

保持接入電流(0.2 A)及介入線圈匝數(shù)不變(500匝，L為50 m)，線圈仍與磁場垂直. 將強(qiáng)磁鐵用寬度分別為5,7.5,10,12.5,15 cm的有機(jī)玻璃盒隔開(用磁傳感器依次測出5種距離中磁場區(qū)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，分別為0.018 4,0.225,0.027 2,0.321,0.038 9 T)，有所得數(shù)據(jù)如表3所示，作圖如圖5所示.

表3 安培力F隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化

圖5 安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系圖

5)定量探究安培力與電流、磁場夾角的正弦值關(guān)系.

電流值輸入為0.2 A，接入500匝線圈(導(dǎo)線長為50 m)，磁鐵用10 cm的有機(jī)玻璃盒隔開(磁場區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.027 2 T)，通過旋轉(zhuǎn)磁鐵所在的刻度轉(zhuǎn)盤改變磁場與電流的夾角，記錄相應(yīng)安培力的值如表4所示，作圖如圖6所示.

表4 安培力F與電流與磁場夾角正弦值sin θ的關(guān)系

圖6 安培力與角度正弦值關(guān)系圖

通過控制變量法定量探究F與B,I,L以及sinθ之間的關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測數(shù)據(jù)作F與B,I,L及sinθ的關(guān)系圖，得到正比例圖線，說明安培力與所探究物理量均為正比關(guān)系. 即

F=BILsinθ.

4 儀器優(yōu)點(diǎn)

1)該演示儀通過力傳感器自動記錄安培力大小，因力傳感器靈敏度較高，可測得微小力的變化，提高了實(shí)驗(yàn)的精度.

2)實(shí)驗(yàn)儀底座上安有角度轉(zhuǎn)盤，只要轉(zhuǎn)動角度轉(zhuǎn)盤即可改變電流方向與磁場方向夾角，調(diào)節(jié)方便.

3)通過可調(diào)直流電源改變電流大小或方向，方便快捷. 通過插拔不同接線柱來改變線圈匝數(shù)從而改變通電導(dǎo)線長度，操作簡便.

4)使用該演示儀可以單獨(dú)研究某一變量對安培力大小的影響與關(guān)系，測量準(zhǔn)確，能測出準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定量探究的目的. 同時，實(shí)驗(yàn)儀原理清晰，結(jié)構(gòu)簡單，演示效果明顯.

[1] 人民教育出版社課程教材研究所,物理課程教材開發(fā)中心. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·物理(選修3-1)[M]. 北京:人民教育出版社,2004.

[2] 董罕嬋. 高中部分教具的改進(jìn)及效能的研究[D]. 上海:上海師范大學(xué),2011:22-23.

[3] 汪維澄. 安培力定量演示儀的設(shè)計與實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備,2013(2)：40-42.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Improvement on the demonstration instrument forthe quantitative analysis of Ampere force

WANG Yu-han, DAI Wei, LUO Jie, ZOU Qin, WANG Dan

(School of Physics and Space Science, China West Normal University, Nanchong 637002, China)

In view of the deficiency of the existing ampere force demonstration instrument, an improvement and innovation were carried out. In the new instrument, the strength and direction of the current were controlled through a DC power; the direction of the magnetic field was changed by exchanging the position of the magnetic pole, its strength was adjusted by adjusting the distance between the poles; the electrified conductor length was controlled by changing the coil tap terminal. This instrument could be used to quantitatively investigate the factors affecting the Ampere force, that were the length of the electrified conductor, the size and direction of the current, and the strength the magnetic field. In addition, the magnet was placed on rotary chassis with angle indicator. With this chassis, the effect of the angle between the conductor and the magnetic field on the Ampere force be explored without moving the coil.

Ampere force; quantitative analysis; force sensor

2016-11-05

四川省研究生教育改革創(chuàng)新項(xiàng)目(No.445001)

王玉涵(1993-)，女，四川西昌人，西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院2016級碩士研究生，研究方向?yàn)閷W(xué)科教育研究.

代 偉(1964-),男,四川遂寧人，西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院教授，學(xué)士，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究.

G633.7

A

1005-4642(2017)04-0056-03