安培力定量演示實(shí)驗(yàn)（數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室）

吳 瑤

（貴州省銅仁市銅仁一中 貴州銅仁 554300）

在高中物理安培力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要涉及兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，其一為電流大小I與安培力F之間的關(guān)系，其二為導(dǎo)線長度l與安培力F之間的關(guān)系，兩個(gè)定性實(shí)驗(yàn)的結(jié)論過于籠統(tǒng)，無法對(duì)安培力有關(guān)的因素進(jìn)行精確的探究，并且與安培力相關(guān)的計(jì)算公式也無法在安培力實(shí)驗(yàn)中探索，學(xué)生在接觸與F相關(guān)的因素中，無法準(zhǔn)確獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)論，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生無法通過實(shí)驗(yàn)結(jié)論獲取關(guān)于安培力大小的計(jì)算公式，如此便失去了安培力實(shí)驗(yàn)的目的。[1]

一、定量探究F-I之間的關(guān)系

若想探究定量F-I之間的關(guān)系，首先即要將磁鐵受到的安培力反作用力進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其能夠演化為導(dǎo)線圈，并在受到磁場(chǎng)安培力作用的同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直方向力。電子秤通過此過程能夠切實(shí)將安培力F的大小呈現(xiàn)，最終獲取對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)的主要目的為探究F與I之間的關(guān)系，但此類關(guān)系除上述手段外無法切實(shí)產(chǎn)生變更，應(yīng)結(jié)合實(shí)際展開分析。獲取I的實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先選定n，如將n設(shè)置為60圈的線圈，將n置于實(shí)驗(yàn)流程中，根據(jù)改變I的大小確定具體數(shù)據(jù)。獲取兩項(xiàng)數(shù)據(jù)后，可通過表格獲取對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的分析，隨后將具體數(shù)據(jù)采用控制變量法與描點(diǎn)繪圖法體現(xiàn)出來，制作成折線圖，較為切實(shí)地將二者之間的關(guān)系以能夠直觀觀察到的方式表現(xiàn)于實(shí)驗(yàn)過程中，最終獲取實(shí)驗(yàn)成果。學(xué)生于實(shí)驗(yàn)操作過程中常出現(xiàn)部分問題，如計(jì)算錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)收集出現(xiàn)問題等，應(yīng)著重針對(duì)此方向問題對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，使其能夠正確操作。除此以外，表格收集工作中可引導(dǎo)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，如EXCEL表格等。[2]

二、定量探究F－I之間的關(guān)系

若想通過定量研究總結(jié)出安培力F與導(dǎo)線長度l的關(guān)系，就必須將導(dǎo)線長度進(jìn)行量化，針對(duì)此方面，教師通過更換線圈匝數(shù)的導(dǎo)線圈的方式，對(duì)變量l進(jìn)行調(diào)節(jié)，如此將有效實(shí)現(xiàn)量化的目的。在進(jìn)行導(dǎo)線圈的選擇期間，教師可采用20，40，60，80，120匝共5組導(dǎo)線圈。與此同時(shí)，教師應(yīng)著重關(guān)注導(dǎo)線圈的寬度，使其能夠統(tǒng)一保持在3cm，通過以上條件，最終的實(shí)驗(yàn)有效長度將為0.6.1.2.1.8.2.4m，并且5組的導(dǎo)線圈長度皆存在差異性，在教師完成更換導(dǎo)線圈的環(huán)節(jié)后，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線長度的改變，在最后的繪制F－l函數(shù)圖像期間，教師可選定B＝43T，I＝0.8A，θ＝90°，將I的大小進(jìn)行改變可有效獲取到最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

如圖所示

三、定量探究F-B函數(shù)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)

定量探究F-B函數(shù)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)應(yīng)首先由量化磁感應(yīng)強(qiáng)度展開，量化磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位為B，定量探究的目的即為更改此變量，使變量作為實(shí)驗(yàn)探究目的中的重要單位之一。就實(shí)驗(yàn)整體步驟展開分析，此類步驟的出現(xiàn)對(duì)于實(shí)際過程而言具有較為重要的意義，可保障定量探究目的完成。因此，應(yīng)切實(shí)將平行磁鐵作為改變磁場(chǎng)大小的主要手段引導(dǎo)學(xué)生展開實(shí)驗(yàn)，原理為平行磁鐵之間的磁場(chǎng)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，改變磁鐵間距離即可有效達(dá)到改變磁場(chǎng)大小的目的。

繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成改變距離影響B(tài)大小的實(shí)驗(yàn)步驟后，應(yīng)切實(shí)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)繪制函數(shù)圖像，此過程中應(yīng)注意學(xué)生對(duì)于相關(guān)知識(shí)的掌握程度，繪制過程中是否出現(xiàn)問題。正確的繪制過程結(jié)束后，可得出F∝B，若結(jié)論不正確應(yīng)展開檢查，保障結(jié)論正確。隨后繼續(xù)試驗(yàn)，與上文同樣展開n的選定工作，即將n設(shè)定為60圈，I=0.23A，實(shí)驗(yàn)中改變B的大小得出對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)并記錄。記錄過程中應(yīng)保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，不要出現(xiàn)誤記、漏記現(xiàn)象。

最終，試驗(yàn)結(jié)束前應(yīng)獲得三類定量，最后根據(jù)定量的大小獲得對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，即F∝B，F(xiàn)∝1。根據(jù)兩式得出F∝BIl的結(jié)論。至此，試驗(yàn)結(jié)束。針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展開分析可發(fā)現(xiàn)各類參數(shù)間的關(guān)系，如BIl的乘積于誤差范圍內(nèi)等于F、BI于垂直前提下安培力大小的計(jì)算公式（F=BIl）。關(guān)于實(shí)驗(yàn)過程中傳感器方面的作用，應(yīng)注意其在實(shí)驗(yàn)中起到的實(shí)際價(jià)值。本次實(shí)驗(yàn)中主要應(yīng)用力傳感器、磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用傳感器的實(shí)驗(yàn)為探究影響安培力大小因素實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前，需將傳感器調(diào)零，以免影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

四、定量探究F-θ之間的關(guān)系

若想針對(duì)實(shí)際情況展開分析，首先需通過旋轉(zhuǎn)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的手段展開實(shí)驗(yàn)，且需量化對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，繪制F-θ的正弦函數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生繪制函數(shù)圖像，進(jìn)而選定n。本次實(shí)驗(yàn)中的n參數(shù)與上述試驗(yàn)不同，將n選定為40圈，I=0.4A，通過改變?chǔ)却笮〉贸鰧?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。隨后根據(jù)量化后的實(shí)際數(shù)據(jù)利用EXCEL圖表實(shí)現(xiàn)記錄功能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)針對(duì)本次試驗(yàn)展開討論。針對(duì)F-θ之間關(guān)系展開分析，教師可向?qū)W生提出問題，如為何本次試驗(yàn)誤差較大、安培力計(jì)算公式是否存在差異等。學(xué)生圍繞此類問題展開分析與討論，最終發(fā)現(xiàn)問題的答案。教師可于討論過程中不斷引導(dǎo)學(xué)生，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)勻強(qiáng)磁場(chǎng)與平行磁鐵的差異，最終根據(jù)此類差異尋求實(shí)際數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。實(shí)際過程中，勻強(qiáng)磁場(chǎng)與平行磁鐵的差異使平行磁鐵無法實(shí)現(xiàn)同等作用，一旦出現(xiàn)對(duì)應(yīng)狀況，將會(huì)造成部分問題。使導(dǎo)線圈靠近磁鐵，從而導(dǎo)致誤差現(xiàn)象的出現(xiàn)。但針對(duì)正弦函數(shù)而言，其并不會(huì)受到影響，因此，實(shí)際過程中誤差較常出現(xiàn)，但正弦函數(shù)與安培力計(jì)算公式不受影響。

結(jié)語

綜上所述，希望能夠通過此模式的物理實(shí)驗(yàn)，使現(xiàn)代高中生能夠通過此實(shí)驗(yàn)過程提高自身學(xué)習(xí)物理知識(shí)的興趣，實(shí)現(xiàn)自身物理能力上的提高，使物理實(shí)驗(yàn)探究的價(jià)值能夠得到充分發(fā)揮。