安培力公式的定量實(shí)驗(yàn)教學(xué)

張麗　張雄

摘 要：在高中教學(xué)中，教師基本都是以定性實(shí)驗(yàn)來教學(xué)安培力的影響因素，從而得出安培力的公式。在《普通物理》中又一次學(xué)習(xí)安培力，因?yàn)橛辛硕ㄐ詫?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，大學(xué)教師應(yīng)該進(jìn)行更深入、更精確的定量實(shí)驗(yàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)作風(fēng)。

關(guān)鍵詞：普通物理；安培力公式；定性實(shí)驗(yàn)；定量實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2014）12（S）-0066-2

在高中階段，多數(shù)老師都采取了演示定性實(shí)驗(yàn)的方法來探究影響安培力大小的因素。例如：在控制變量的情況下，分別改變導(dǎo)線長(zhǎng)度、電流強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、導(dǎo)線與磁場(chǎng)的方向角，來觀察磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)線擺動(dòng)角度的大小，從而得出安培力公式。但是，從這樣的定性實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。在大學(xué)階段，《大學(xué)普通物理》又一次讓學(xué)生接觸安培力，筆者認(rèn)為學(xué)生在有了定性實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)上，教師應(yīng)該讓學(xué)生進(jìn)行更精確、更深入的實(shí)驗(yàn)，從中體會(huì)到物理學(xué)是一門高度量化的學(xué)科，許多物理實(shí)驗(yàn)都離不開測(cè)量，有些還需要十分精確的測(cè)量，從而培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)作風(fēng)。

在大學(xué)普通物理中，學(xué)生將會(huì)又一次與安培力相遇，教師在教授安培力這一節(jié)內(nèi)容時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生再次探究決定安培力大小的因素，并且通過定量的實(shí)驗(yàn)來研究，從而更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氐贸霭才嗔?。筆者在看了彭東林老師的《大學(xué)物理學(xué)電子教案磁場(chǎng)對(duì)電流的作用》后，對(duì)其中利用天平間接測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)感觸頗深?，F(xiàn)通過將該實(shí)驗(yàn)的一個(gè)天平盤懸掛線框改為細(xì)線懸掛條形磁鐵，并且改變測(cè)量條件和已知量，從而定量探究安培力公式。本實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，可以通過自制教具來實(shí)現(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)造及實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置：自制天平一臺(tái)，用細(xì)線豎直懸掛一已知長(zhǎng)度的金屬棒在天平的右臂，在金屬棒的下端水平放置一圓形釹鐵硼強(qiáng)磁鐵，使其產(chǎn)生的磁場(chǎng)垂直于紙面，從而垂直于流過金屬棒的電流。將干電池、開關(guān)、電流表、滑動(dòng)變阻器、懸掛金屬棒用導(dǎo)線依次連接起來，形成一閉合回路。見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)原理：首先，在掛上金屬棒的天平左盤中放入一定質(zhì)量的砝碼，使天平平衡。當(dāng)閉合開關(guān)后，金屬棒中通有電流，金屬棒在磁場(chǎng)作用下會(huì)受到向下的安培力作用，使天平失去平衡，增加左天平盤中的砝碼，直至天平平衡，左天平盤中增加的砝碼重量就等于安培力的大小F安=mg，實(shí)現(xiàn)了用天平定量測(cè)量安培力的目的。

2 安培力的定量實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

2.1 影響安培力大小的因素

首先，讓同學(xué)猜想影響安培力大小的因素會(huì)有哪些？例如：磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流大小、金屬棒的長(zhǎng)度和直徑、金屬棒在磁場(chǎng)中的方位（即，電流方向與磁場(chǎng)方向的夾角）等等。用控制變量法，依次改變學(xué)生提出因素的大小，然后觀察天平是否失去平衡，若天平失去平衡，則說明該因素影響安培力的大小，若天平仍保持平衡，則說明該因素不是影響安培力大小的因素。依次實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生通過觀察天平的平衡情況，可以得出結(jié)論：安培力由磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流大小、磁場(chǎng)中金屬棒的長(zhǎng)度、電流方向與磁場(chǎng)方向的夾角決定。為了方便研究，以下研究磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流大小、磁場(chǎng)中金屬棒的長(zhǎng)度與安培力大小的關(guān)系時(shí)，磁場(chǎng)方向均為垂直紙面向里，金屬棒均水平懸掛在豎直平面內(nèi)，且電流方向從右到左。

2.2 定量研究電流與安培力的關(guān)系

保持磁場(chǎng)強(qiáng)度大小、金屬棒長(zhǎng)度、電流方向和磁場(chǎng)方向夾角不變，通過移動(dòng)滑動(dòng)變阻器觸頭改變導(dǎo)線中電流的大小。成倍地增加流入導(dǎo)線中的電流，使電流大小之比為I1∶I2∶I3∶……IN=1∶2∶3……∶N。增加左盤中的砝碼重量，使天平恢復(fù)平衡，依次記下每次左盤的砝碼比原始重量增加的量m1、m2、m3……mN，那么測(cè)量出的m1∶m2∶m3∶……mN在誤差范圍內(nèi)也是1∶2∶3……N。從而得出I與F安成正比。

2.3 定量研究在磁場(chǎng)中通電金屬棒長(zhǎng)度與安培力的關(guān)系

保持磁場(chǎng)強(qiáng)度大小、電流大小、電流方向和磁場(chǎng)方向夾角不變，通過改變接入電路中金屬棒的部分，來實(shí)現(xiàn)改變金屬棒長(zhǎng)度。成倍地增加接入電路中金屬棒的長(zhǎng)度，使接入電路中的金屬棒長(zhǎng)度之比為L(zhǎng)1∶L2∶L3∶……LN=1∶2∶3∶……N。增加左盤中的砝碼重量，使天平恢復(fù)平衡，依次記下每次左盤的砝碼比原始重量增加的量m1、m2、m3……mN，那么測(cè)量出的m1∶m2∶m3∶……mN在誤差范圍內(nèi)也是1∶2∶3……N。從而得出L與F安成正比。

2.4 定量研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與安培力的關(guān)系

保持磁場(chǎng)強(qiáng)度方向、電流大小和方向不變，金屬棒長(zhǎng)度不變，通過改變放入的圓形釹鐵硼強(qiáng)磁鐵個(gè)數(shù)，來實(shí)現(xiàn)改變磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。成倍地增加放入電路中的圓形釹鐵硼強(qiáng)磁鐵個(gè)數(shù)，使磁感應(yīng)強(qiáng)度之比為B1∶B2∶B3∶……BN=1∶2∶3∶……N。增加左盤中的砝碼重量，使天平恢復(fù)平衡，依次記下每次左盤的砝碼比原始重量增加的量m1、m2、m3……mN，那么測(cè)量出的m1∶m2∶m3∶……mN在誤差范圍內(nèi)也是1∶2∶3∶……N。從而得出B與F安成正比。

2.5 研究電流方向與磁場(chǎng)方向夾角與安培力的關(guān)系

保持磁場(chǎng)大小、電流大小和方向不變，金屬棒長(zhǎng)度不變，通過改變圓形釹鐵硼強(qiáng)磁鐵表面傾斜角，來改變其面的方向，實(shí)現(xiàn)改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向。當(dāng)圓形磁鐵直立放置時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)方向在垂直于紙面上，天平會(huì)失衡，當(dāng)圓形磁鐵水平放置時(shí)，其場(chǎng)強(qiáng)方向平行于紙面，天平不會(huì)失衡。當(dāng)圓形磁鐵表面傾斜角為任意角時(shí)，此時(shí)安培力不再沿豎直方向（所以天平的T字架子需要可以轉(zhuǎn)動(dòng)），天平左盤的物重不再等于右臂懸掛金屬棒受到的安培力，但可以根據(jù)二力平衡、杠桿平衡原理算出安培力大小。此處為了方便計(jì)算，應(yīng)盡量選用質(zhì)量較小的金屬棒，這樣，金屬棒的重力可以忽略不計(jì)，線對(duì)金屬棒的拉力與安培力可以近似看作一對(duì)等大反向的平衡力，見圖2，于是得出F安=F拉。線對(duì)金屬棒的拉力大小與天平臂對(duì)線的拉力也是一對(duì)等大反向的平衡力，見圖3。由此推出F安=F拉=F線，而天平臂對(duì)線的拉力又可以根據(jù)杠桿原理求出，G·L1=F線·L2，這樣便可以算出此時(shí)安培力的大小F安=F拉= 。這樣就可以驗(yàn)證F安=BIL·sinθ。

圖2 金屬棒受力分析

圖3 天平桿受力分析

參考文獻(xiàn)：

[1]沈元華.定性與半定量物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探[J].物理實(shí)驗(yàn)，2004，（11）：26.

[2]彭東林.大學(xué)物理學(xué)電子教案[EB/OL].http：//wenku.baid

u.com/view/c29d014e852458fb770b564f.html，2010.

（欄目編輯 鄧 磊）

摘 要：在高中教學(xué)中，教師基本都是以定性實(shí)驗(yàn)來教學(xué)安培力的影響因素，從而得出安培力的公式。在《普通物理》中又一次學(xué)習(xí)安培力，因?yàn)橛辛硕ㄐ詫?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，大學(xué)教師應(yīng)該進(jìn)行更深入、更精確的定量實(shí)驗(yàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)作風(fēng)。

關(guān)鍵詞：普通物理；安培力公式；定性實(shí)驗(yàn)；定量實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2014）12（S）-0066-2

在高中階段，多數(shù)老師都采取了演示定性實(shí)驗(yàn)的方法來探究影響安培力大小的因素。例如：在控制變量的情況下，分別改變導(dǎo)線長(zhǎng)度、電流強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、導(dǎo)線與磁場(chǎng)的方向角，來觀察磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)線擺動(dòng)角度的大小，從而得出安培力公式。但是，從這樣的定性實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。在大學(xué)階段，《大學(xué)普通物理》又一次讓學(xué)生接觸安培力，筆者認(rèn)為學(xué)生在有了定性實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)上，教師應(yīng)該讓學(xué)生進(jìn)行更精確、更深入的實(shí)驗(yàn)，從中體會(huì)到物理學(xué)是一門高度量化的學(xué)科，許多物理實(shí)驗(yàn)都離不開測(cè)量，有些還需要十分精確的測(cè)量，從而培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)作風(fēng)。

在大學(xué)普通物理中，學(xué)生將會(huì)又一次與安培力相遇，教師在教授安培力這一節(jié)內(nèi)容時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生再次探究決定安培力大小的因素，并且通過定量的實(shí)驗(yàn)來研究，從而更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氐贸霭才嗔?。筆者在看了彭東林老師的《大學(xué)物理學(xué)電子教案磁場(chǎng)對(duì)電流的作用》后，對(duì)其中利用天平間接測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)感觸頗深。現(xiàn)通過將該實(shí)驗(yàn)的一個(gè)天平盤懸掛線框改為細(xì)線懸掛條形磁鐵，并且改變測(cè)量條件和已知量，從而定量探究安培力公式。本實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，可以通過自制教具來實(shí)現(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)造及實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置：自制天平一臺(tái)，用細(xì)線豎直懸掛一已知長(zhǎng)度的金屬棒在天平的右臂，在金屬棒的下端水平放置一圓形釹鐵硼強(qiáng)磁鐵，使其產(chǎn)生的磁場(chǎng)垂直于紙面，從而垂直于流過金屬棒的電流。將干電池、開關(guān)、電流表、滑動(dòng)變阻器、懸掛金屬棒用導(dǎo)線依次連接起來，形成一閉合回路。見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)原理：首先，在掛上金屬棒的天平左盤中放入一定質(zhì)量的砝碼，使天平平衡。當(dāng)閉合開關(guān)后，金屬棒中通有電流，金屬棒在磁場(chǎng)作用下會(huì)受到向下的安培力作用，使天平失去平衡，增加左天平盤中的砝碼，直至天平平衡，左天平盤中增加的砝碼重量就等于安培力的大小F安=mg，實(shí)現(xiàn)了用天平定量測(cè)量安培力的目的。

2 安培力的定量實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

2.1 影響安培力大小的因素

首先，讓同學(xué)猜想影響安培力大小的因素會(huì)有哪些？例如：磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流大小、金屬棒的長(zhǎng)度和直徑、金屬棒在磁場(chǎng)中的方位（即，電流方向與磁場(chǎng)方向的夾角）等等。用控制變量法，依次改變學(xué)生提出因素的大小，然后觀察天平是否失去平衡，若天平失去平衡，則說明該因素影響安培力的大小，若天平仍保持平衡，則說明該因素不是影響安培力大小的因素。依次實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生通過觀察天平的平衡情況，可以得出結(jié)論：安培力由磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流大小、磁場(chǎng)中金屬棒的長(zhǎng)度、電流方向與磁場(chǎng)方向的夾角決定。為了方便研究，以下研究磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流大小、磁場(chǎng)中金屬棒的長(zhǎng)度與安培力大小的關(guān)系時(shí)，磁場(chǎng)方向均為垂直紙面向里，金屬棒均水平懸掛在豎直平面內(nèi)，且電流方向從右到左。

2.2 定量研究電流與安培力的關(guān)系

保持磁場(chǎng)強(qiáng)度大小、金屬棒長(zhǎng)度、電流方向和磁場(chǎng)方向夾角不變，通過移動(dòng)滑動(dòng)變阻器觸頭改變導(dǎo)線中電流的大小。成倍地增加流入導(dǎo)線中的電流，使電流大小之比為I1∶I2∶I3∶……IN=1∶2∶3……∶N。增加左盤中的砝碼重量，使天平恢復(fù)平衡，依次記下每次左盤的砝碼比原始重量增加的量m1、m2、m3……mN，那么測(cè)量出的m1∶m2∶m3∶……mN在誤差范圍內(nèi)也是1∶2∶3……N。從而得出I與F安成正比。

2.3 定量研究在磁場(chǎng)中通電金屬棒長(zhǎng)度與安培力的關(guān)系

保持磁場(chǎng)強(qiáng)度大小、電流大小、電流方向和磁場(chǎng)方向夾角不變，通過改變接入電路中金屬棒的部分，來實(shí)現(xiàn)改變金屬棒長(zhǎng)度。成倍地增加接入電路中金屬棒的長(zhǎng)度，使接入電路中的金屬棒長(zhǎng)度之比為L(zhǎng)1∶L2∶L3∶……LN=1∶2∶3∶……N。增加左盤中的砝碼重量，使天平恢復(fù)平衡，依次記下每次左盤的砝碼比原始重量增加的量m1、m2、m3……mN，那么測(cè)量出的m1∶m2∶m3∶……mN在誤差范圍內(nèi)也是1∶2∶3……N。從而得出L與F安成正比。

2.4 定量研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與安培力的關(guān)系

保持磁場(chǎng)強(qiáng)度方向、電流大小和方向不變，金屬棒長(zhǎng)度不變，通過改變放入的圓形釹鐵硼強(qiáng)磁鐵個(gè)數(shù)，來實(shí)現(xiàn)改變磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。成倍地增加放入電路中的圓形釹鐵硼強(qiáng)磁鐵個(gè)數(shù)，使磁感應(yīng)強(qiáng)度之比為B1∶B2∶B3∶……BN=1∶2∶3∶……N。增加左盤中的砝碼重量，使天平恢復(fù)平衡，依次記下每次左盤的砝碼比原始重量增加的量m1、m2、m3……mN，那么測(cè)量出的m1∶m2∶m3∶……mN在誤差范圍內(nèi)也是1∶2∶3∶……N。從而得出B與F安成正比。

2.5 研究電流方向與磁場(chǎng)方向夾角與安培力的關(guān)系

保持磁場(chǎng)大小、電流大小和方向不變，金屬棒長(zhǎng)度不變，通過改變圓形釹鐵硼強(qiáng)磁鐵表面傾斜角，來改變其面的方向，實(shí)現(xiàn)改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向。當(dāng)圓形磁鐵直立放置時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)方向在垂直于紙面上，天平會(huì)失衡，當(dāng)圓形磁鐵水平放置時(shí)，其場(chǎng)強(qiáng)方向平行于紙面，天平不會(huì)失衡。當(dāng)圓形磁鐵表面傾斜角為任意角時(shí)，此時(shí)安培力不再沿豎直方向（所以天平的T字架子需要可以轉(zhuǎn)動(dòng)），天平左盤的物重不再等于右臂懸掛金屬棒受到的安培力，但可以根據(jù)二力平衡、杠桿平衡原理算出安培力大小。此處為了方便計(jì)算，應(yīng)盡量選用質(zhì)量較小的金屬棒，這樣，金屬棒的重力可以忽略不計(jì)，線對(duì)金屬棒的拉力與安培力可以近似看作一對(duì)等大反向的平衡力，見圖2，于是得出F安=F拉。線對(duì)金屬棒的拉力大小與天平臂對(duì)線的拉力也是一對(duì)等大反向的平衡力，見圖3。由此推出F安=F拉=F線，而天平臂對(duì)線的拉力又可以根據(jù)杠桿原理求出，G·L1=F線·L2，這樣便可以算出此時(shí)安培力的大小F安=F拉= 。這樣就可以驗(yàn)證F安=BIL·sinθ。

圖2 金屬棒受力分析

圖3 天平桿受力分析

參考文獻(xiàn)：

[1]沈元華.定性與半定量物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探[J].物理實(shí)驗(yàn)，2004，（11）：26.

[2]彭東林.大學(xué)物理學(xué)電子教案[EB/OL].http：//wenku.baid

u.com/view/c29d014e852458fb770b564f.html，2010.

（欄目編輯 鄧 磊）

摘 要：在高中教學(xué)中，教師基本都是以定性實(shí)驗(yàn)來教學(xué)安培力的影響因素，從而得出安培力的公式。在《普通物理》中又一次學(xué)習(xí)安培力，因?yàn)橛辛硕ㄐ詫?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，大學(xué)教師應(yīng)該進(jìn)行更深入、更精確的定量實(shí)驗(yàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)作風(fēng)。

關(guān)鍵詞：普通物理；安培力公式；定性實(shí)驗(yàn)；定量實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2014）12（S）-0066-2

在高中階段，多數(shù)老師都采取了演示定性實(shí)驗(yàn)的方法來探究影響安培力大小的因素。例如：在控制變量的情況下，分別改變導(dǎo)線長(zhǎng)度、電流強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、導(dǎo)線與磁場(chǎng)的方向角，來觀察磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)線擺動(dòng)角度的大小，從而得出安培力公式。但是，從這樣的定性實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。在大學(xué)階段，《大學(xué)普通物理》又一次讓學(xué)生接觸安培力，筆者認(rèn)為學(xué)生在有了定性實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)上，教師應(yīng)該讓學(xué)生進(jìn)行更精確、更深入的實(shí)驗(yàn)，從中體會(huì)到物理學(xué)是一門高度量化的學(xué)科，許多物理實(shí)驗(yàn)都離不開測(cè)量，有些還需要十分精確的測(cè)量，從而培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)作風(fēng)。

在大學(xué)普通物理中，學(xué)生將會(huì)又一次與安培力相遇，教師在教授安培力這一節(jié)內(nèi)容時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生再次探究決定安培力大小的因素，并且通過定量的實(shí)驗(yàn)來研究，從而更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氐贸霭才嗔?。筆者在看了彭東林老師的《大學(xué)物理學(xué)電子教案磁場(chǎng)對(duì)電流的作用》后，對(duì)其中利用天平間接測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)感觸頗深。現(xiàn)通過將該實(shí)驗(yàn)的一個(gè)天平盤懸掛線框改為細(xì)線懸掛條形磁鐵，并且改變測(cè)量條件和已知量，從而定量探究安培力公式。本實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，可以通過自制教具來實(shí)現(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)造及實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置：自制天平一臺(tái)，用細(xì)線豎直懸掛一已知長(zhǎng)度的金屬棒在天平的右臂，在金屬棒的下端水平放置一圓形釹鐵硼強(qiáng)磁鐵，使其產(chǎn)生的磁場(chǎng)垂直于紙面，從而垂直于流過金屬棒的電流。將干電池、開關(guān)、電流表、滑動(dòng)變阻器、懸掛金屬棒用導(dǎo)線依次連接起來，形成一閉合回路。見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)原理：首先，在掛上金屬棒的天平左盤中放入一定質(zhì)量的砝碼，使天平平衡。當(dāng)閉合開關(guān)后，金屬棒中通有電流，金屬棒在磁場(chǎng)作用下會(huì)受到向下的安培力作用，使天平失去平衡，增加左天平盤中的砝碼，直至天平平衡，左天平盤中增加的砝碼重量就等于安培力的大小F安=mg，實(shí)現(xiàn)了用天平定量測(cè)量安培力的目的。

2 安培力的定量實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

2.1 影響安培力大小的因素

首先，讓同學(xué)猜想影響安培力大小的因素會(huì)有哪些？例如：磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流大小、金屬棒的長(zhǎng)度和直徑、金屬棒在磁場(chǎng)中的方位（即，電流方向與磁場(chǎng)方向的夾角）等等。用控制變量法，依次改變學(xué)生提出因素的大小，然后觀察天平是否失去平衡，若天平失去平衡，則說明該因素影響安培力的大小，若天平仍保持平衡，則說明該因素不是影響安培力大小的因素。依次實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生通過觀察天平的平衡情況，可以得出結(jié)論：安培力由磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流大小、磁場(chǎng)中金屬棒的長(zhǎng)度、電流方向與磁場(chǎng)方向的夾角決定。為了方便研究，以下研究磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流大小、磁場(chǎng)中金屬棒的長(zhǎng)度與安培力大小的關(guān)系時(shí)，磁場(chǎng)方向均為垂直紙面向里，金屬棒均水平懸掛在豎直平面內(nèi)，且電流方向從右到左。

2.2 定量研究電流與安培力的關(guān)系

保持磁場(chǎng)強(qiáng)度大小、金屬棒長(zhǎng)度、電流方向和磁場(chǎng)方向夾角不變，通過移動(dòng)滑動(dòng)變阻器觸頭改變導(dǎo)線中電流的大小。成倍地增加流入導(dǎo)線中的電流，使電流大小之比為I1∶I2∶I3∶……IN=1∶2∶3……∶N。增加左盤中的砝碼重量，使天平恢復(fù)平衡，依次記下每次左盤的砝碼比原始重量增加的量m1、m2、m3……mN，那么測(cè)量出的m1∶m2∶m3∶……mN在誤差范圍內(nèi)也是1∶2∶3……N。從而得出I與F安成正比。

2.3 定量研究在磁場(chǎng)中通電金屬棒長(zhǎng)度與安培力的關(guān)系

保持磁場(chǎng)強(qiáng)度大小、電流大小、電流方向和磁場(chǎng)方向夾角不變，通過改變接入電路中金屬棒的部分，來實(shí)現(xiàn)改變金屬棒長(zhǎng)度。成倍地增加接入電路中金屬棒的長(zhǎng)度，使接入電路中的金屬棒長(zhǎng)度之比為L(zhǎng)1∶L2∶L3∶……LN=1∶2∶3∶……N。增加左盤中的砝碼重量，使天平恢復(fù)平衡，依次記下每次左盤的砝碼比原始重量增加的量m1、m2、m3……mN，那么測(cè)量出的m1∶m2∶m3∶……mN在誤差范圍內(nèi)也是1∶2∶3……N。從而得出L與F安成正比。

2.4 定量研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與安培力的關(guān)系

保持磁場(chǎng)強(qiáng)度方向、電流大小和方向不變，金屬棒長(zhǎng)度不變，通過改變放入的圓形釹鐵硼強(qiáng)磁鐵個(gè)數(shù)，來實(shí)現(xiàn)改變磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。成倍地增加放入電路中的圓形釹鐵硼強(qiáng)磁鐵個(gè)數(shù)，使磁感應(yīng)強(qiáng)度之比為B1∶B2∶B3∶……BN=1∶2∶3∶……N。增加左盤中的砝碼重量，使天平恢復(fù)平衡，依次記下每次左盤的砝碼比原始重量增加的量m1、m2、m3……mN，那么測(cè)量出的m1∶m2∶m3∶……mN在誤差范圍內(nèi)也是1∶2∶3∶……N。從而得出B與F安成正比。

2.5 研究電流方向與磁場(chǎng)方向夾角與安培力的關(guān)系

保持磁場(chǎng)大小、電流大小和方向不變，金屬棒長(zhǎng)度不變，通過改變圓形釹鐵硼強(qiáng)磁鐵表面傾斜角，來改變其面的方向，實(shí)現(xiàn)改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向。當(dāng)圓形磁鐵直立放置時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)方向在垂直于紙面上，天平會(huì)失衡，當(dāng)圓形磁鐵水平放置時(shí)，其場(chǎng)強(qiáng)方向平行于紙面，天平不會(huì)失衡。當(dāng)圓形磁鐵表面傾斜角為任意角時(shí)，此時(shí)安培力不再沿豎直方向（所以天平的T字架子需要可以轉(zhuǎn)動(dòng)），天平左盤的物重不再等于右臂懸掛金屬棒受到的安培力，但可以根據(jù)二力平衡、杠桿平衡原理算出安培力大小。此處為了方便計(jì)算，應(yīng)盡量選用質(zhì)量較小的金屬棒，這樣，金屬棒的重力可以忽略不計(jì)，線對(duì)金屬棒的拉力與安培力可以近似看作一對(duì)等大反向的平衡力，見圖2，于是得出F安=F拉。線對(duì)金屬棒的拉力大小與天平臂對(duì)線的拉力也是一對(duì)等大反向的平衡力，見圖3。由此推出F安=F拉=F線，而天平臂對(duì)線的拉力又可以根據(jù)杠桿原理求出，G·L1=F線·L2，這樣便可以算出此時(shí)安培力的大小F安=F拉= 。這樣就可以驗(yàn)證F安=BIL·sinθ。

圖2 金屬棒受力分析

圖3 天平桿受力分析

參考文獻(xiàn)：

[1]沈元華.定性與半定量物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探[J].物理實(shí)驗(yàn)，2004，（11）：26.

[2]彭東林.大學(xué)物理學(xué)電子教案[EB/OL].http：//wenku.baid

u.com/view/c29d014e852458fb770b564f.html，2010.

（欄目編輯 鄧 磊）