幾種定量探究磁場(chǎng)對(duì)電流作用的方法

趙小軍

(蘇州工業(yè)園區(qū)第一中學(xué),江蘇 蘇州 215006)

1 實(shí)驗(yàn)背景

圖1 安培力演示實(shí)驗(yàn)

通過演示實(shí)驗(yàn)研究磁場(chǎng)對(duì)電流的作用,在初中和高中物理教材中都有體現(xiàn)．初中階段對(duì)本實(shí)驗(yàn)定位于定性演示,而高中階段則對(duì)實(shí)驗(yàn)的定量研究提出了要求,但是仔細(xì)審視多個(gè)版本高中教材中的實(shí)驗(yàn)方案,均不能較精確地實(shí)現(xiàn)定量探究,如在人教社2010年版的普通高中《物理》選修3-1教材中,提供了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)方案,使用該方案也只能進(jìn)行半定量探究．為此,梳理分析可以定量研究磁場(chǎng)對(duì)電流作用的實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)豐富教師的實(shí)驗(yàn)視野、啟迪教師開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)中學(xué)生的深度學(xué)習(xí)均具有一定的現(xiàn)實(shí)意義．本文作者研究了部分測(cè)量安培力的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方案的原理,根據(jù)測(cè)量的方式分類整理出來如下4種主要方法．

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 電流天平法

根據(jù)通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力的原理,可以制成靈敏的電流天平(圖2甲),依據(jù)力矩平衡條件,測(cè)出通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力的大小．如圖2乙,電流天平平衡后,左端鉤碼的重力等于右端通電導(dǎo)線

圖2 電流天平原理圖

所受安培力的大小,通電導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與螺線管中電流I0的大小成正比．測(cè)量記錄好螺線管中電流I0大小、通電導(dǎo)線中電流I大小、鉤碼重力,可以實(shí)現(xiàn)定量探究安培力、電流、磁場(chǎng)之間的大小關(guān)系．但是電流天平法只適合研究磁場(chǎng)和通電導(dǎo)線垂直的情況．

2.2 電子天平法

圖3 電子天平應(yīng)用基本原理

基本原理如圖3,采用精度較高的電子天平可以測(cè)量一定匝數(shù)導(dǎo)線所受重力以及受到安培力后的變化值．將導(dǎo)線繞制成長方形線框,測(cè)量時(shí)導(dǎo)線框一邊置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中(磁場(chǎng)由勵(lì)磁線圈產(chǎn)生,通電線圈寬度小于勵(lì)磁線圈安裝于支架上),線框另一邊固定在支架上放于電子天平上．閉合開關(guān),電流通過直導(dǎo)線,讀出電子天平示數(shù)的變化量即為安培力的大?。娮犹炱椒梢远刻骄坎煌艌?chǎng)下通電導(dǎo)線中電流與所受安培力之間的關(guān)系．

如果增加圓形角度定位盤,將定位盤固定粘在電子天平上,通電線圈放在定位盤上并使線圈軸心穿過定位盤圓心,通過改變線框與定位盤的角度還可以研究磁場(chǎng)與通電導(dǎo)線夾角由0到π變化過程中安培力的變化規(guī)律．

2.3 轉(zhuǎn)換法

轉(zhuǎn)換法實(shí)驗(yàn)裝置(如圖4甲)結(jié)構(gòu)分為:水平放置的亥姆霍茲線圈(產(chǎn)生豎直方向勻強(qiáng)磁場(chǎng))、矩形通電導(dǎo)線框、支架以及刻度盤．矩形線框一端帶有轉(zhuǎn)軸至于亥姆霍茲線圈的中間,轉(zhuǎn)軸固定在支架上并裝有刻度盤,當(dāng)矩形線框不受安培力時(shí)靜止在豎直面,矩形線框受安培力會(huì)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng),平衡后可以讀出線框離開豎直位置的距離x．

(甲) 轉(zhuǎn)換法裝置圖

(乙) 轉(zhuǎn)換法原理圖

在實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)節(jié)亥姆霍茲線圈中電流的大小來調(diào)節(jié)矩形線框周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度大小,線框下邊在磁場(chǎng)中的部分為通電導(dǎo)線段,通電后安培力水平向左或是向右．工作原理如圖4乙,矩形線框在通電后受安培力矩和重力力矩的作用,平衡時(shí)有mgL1sinθ=F安L2cosθ,可得F安∝tanθ，從圖4乙中可以看出H不變,tanθ∝x,故F安∝x．轉(zhuǎn)換法可以通過測(cè)量x確定安培力變化情況．

如果圖4甲中亥姆霍茲線圈可以繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng),并在軸的側(cè)面裝有角度定位圓盤,通過角度圓盤定位亥姆霍茲線圈由水平轉(zhuǎn)過的角度記錄磁場(chǎng)與豎直方向的夾角,可以研究磁場(chǎng)與通電導(dǎo)線夾角由0到π變化過程中安培力的變化規(guī)律．轉(zhuǎn)換法可以定量研究影響安培力各要素之間的關(guān)系．

2.4 DIS傳感器法

課堂演示過程中也會(huì)出現(xiàn)演示儀器的可視范圍小,不利于觀察的情況．為了讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中更好地理解安培力以及相關(guān)的影響因素,引入DIS傳感器可以使顯示更直觀,提高了課堂效率．如圖5,通過勵(lì)磁線圈產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng),長方形多匝通電線圈受安培力,實(shí)驗(yàn)中將受力邊與力傳感器相連接,平衡后力傳感器的示數(shù)就是安培力的大?。趧驈?qiáng)磁場(chǎng)中也可以引入磁傳感器,讀出線框周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度．借助傳感器的讀數(shù)可以實(shí)現(xiàn)定量探究安培力、電流、磁場(chǎng)之間的大小關(guān)系．

圖5 傳感器應(yīng)用原理圖

文中介紹的4種方法各有優(yōu)劣,可以在定量探究安培力大小的教學(xué)中,根據(jù)教學(xué)條件和教學(xué)設(shè)計(jì)選擇適合的,也可以將不同方法進(jìn)行組合創(chuàng)造更適合的新方法．梳理定量研究安培力的基本實(shí)驗(yàn)方法,結(jié)合課堂實(shí)際創(chuàng)新性地引入各種儀器和方法可以大大地提高課堂效率和實(shí)驗(yàn)效果．