利用DISLab探究安培力的影響因素

(聊城大學，山東 聊城 252000)

·實驗研究·

利用DISLab探究安培力的影響因素

裴超楊效華

(聊城大學，山東 聊城 252000)

筆者針對傳統(tǒng)演示實驗的不足，采用DISLab對其進行改進。本文以“探究影響通電導線受力的因素”的演示實驗為例，簡要介紹了DISLab的實驗儀器、原理和過程。

DISLab；安培力；影響因素

1 教材演示實驗分析

教材中“探究安培力方向”的演示實驗的主要內(nèi)容是交換磁極的位置和改變電流的方向，以此觀察導線受力方向是否改變。但是在實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)，該實驗的現(xiàn)象并不是很明顯。主要原因是實驗室的蹄形磁鐵磁性太弱，當我們改變磁極位置或者電流方向時導線擺角太小，不易于學生發(fā)現(xiàn)問題。再者，通電導線在擺動過程中，導線所在處磁場也會發(fā)生改變。

在“探究影響通電導線受力的因素”的演示實驗中，該實驗的主要內(nèi)容是將三塊相同的蹄形磁鐵并列放置，將一根直導線水平懸掛在磁鐵兩極間，導線的方向與磁感應強度的方向垂直[1]。隨后采用控制變量法，分別改變導線在磁場中的長度和電流的大小，觀察導線前后擺角的變化，通過實驗，我們發(fā)現(xiàn)了一些不足：首先，導線前后的擺角變化不大，作為演示實驗，學生不易發(fā)現(xiàn)力的大小變化。其次，雖然U形磁鐵間可近似看成勻強磁場，而實際上U形磁鐵空間狹小，必須考慮邊緣效應[2]。針對傳統(tǒng)實驗的缺點，我們決定采用DISLab實驗來解決問題。

2 DISLab實驗

圖1

2.1 實驗裝置

(1) 磁場部分：如圖1所示，將兩塊磁鐵正對放置。

(2) 線路及通電導線部分：如圖2所示為漆包線繞成的方形線圈，我們分別接出100匝、200匝和300匝的工作線圈，通過連接電路選擇不同匝數(shù)作為在磁場中的通電導線段。且匝數(shù)越多，在磁場中的有效導線越長。

圖3是研究電流大小或?qū)Ь€長度對安培力影響的實驗線路圖，圖4為研究磁場強度或磁通量對安培力影響的實驗線路圖，實驗中均采用12V的學生電源。

圖3

圖4

2.2 實驗過程

2.2.1 探究“電流大小或?qū)Ь€長度對安培力的影響”

(1) 實驗步驟

先選擇100匝的線圈進行安培力的測量，點擊開始按鈕后順時針旋轉(zhuǎn)旋鈕，此時會得到一系列點。點擊選擇分析區(qū)域，選擇y=ax+b的形式,便得到一條直線。

分別接入200匝和300匝線圈。重復以上步驟，得到如圖5所示的實驗圖像。

圖5

(2) 圖像分析

首先選定同一電流,比較長度不同時導線所受安培力的大小。例如選定電流為0.5A，所對應的安培力大小分別為0.32N、0.16N、0.09N，從數(shù)據(jù)上我們可以看出，安培力大小與導線在磁場中的有效長度成正比。

采用同樣的方法，在同一圖像中觀察安培力大小與電流大小的關系，兩者也成正比。

2.2.2 探究“磁感應強度對安培力的影響”

(1) 實驗步驟

按圖4進行電路的連接，之后按上述步驟進行準備，將x軸名稱改為時間。

將線圈放在磁場中心處，點擊“開始”，改變電流至最大，得到如圖6所示圖像。

圖6

依次向上移動線圈，以逐次減小磁感應強度大小，得到另外3組圖像，將4組圖像顯示在同一個坐標軸上面。

(2) 圖像分析

由圖像可知，線圈越往上提，其所受的安培力就越小。所以，安培力的大小與磁感應強度的大小成正比。

2.2.3 探究“磁場強度與導線間夾角大小對安培力的影響”

(1) 實驗步驟

準備階段：按圖4進行電路的連接。

進行實驗：將線圈與磁場強度方向成90度角放置，點擊開始，旋轉(zhuǎn)電流旋鈕至最大后得到最終穩(wěn)定圖像。

依次改變夾角分別為60度、0度，重復上述步驟后，在同一坐標軸上得到3組圖像(如圖7)。

圖7

(2) 圖像分析

由圖像可知，夾角為90度時，安培力最大。夾角為0度，即線圈與磁場強度平行時，所受安培力為0N。

3 結語

我們采用平行磁場，將線圈放在磁場的中心處，由于線圈偏轉(zhuǎn)角度不大，這就解決了傳統(tǒng)實驗中由于通電導線在擺動過程中，導線所在處磁場易發(fā)生改變的缺點。在“探究影響通電導線受力因素”的DISLab實驗中，我們同樣將不易觀察的實驗現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為圖像，并且解決了邊緣效應問題。

DISLab實驗具有實驗過程“可視化”、實驗設計“重點化”、數(shù)據(jù)采集和處理“智能化”、教學過程“現(xiàn)代化”等特點[3]，可以將圖像或者數(shù)據(jù)展現(xiàn)在電腦屏幕上，解決了傳統(tǒng)演示實驗不易觀察的缺點，還可以培養(yǎng)學生分析數(shù)據(jù)、圖像的能力。

[1] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書 物理3-1[M].人民教育出版社，2011:83.

[2] 陳艷.定量探究安培力大小實驗的改進[J].教學實驗與儀器，2015,(9).

[3] 朱國強,陳義兵.應用DISLab探究安培力大小的相關因素[J].物理通報，2011，(9).