探究安培力大小的實驗裝置的設(shè)計

張佑良 馮霞

摘 要：筆者認為中學(xué)物理教材中“探究影響安培力大小因素”的實驗需要進一步改進與完善。筆者對此進行了改進，改進后的實驗裝置操作方便，現(xiàn)象明顯，在直觀性和科學(xué)性上都有較大提高。

關(guān)鍵詞：安培力；導(dǎo)線框；蹄形磁鐵

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）4-0050-2

1 傳統(tǒng)安培力實驗裝置

“磁場對通電導(dǎo)線的作用——安培力”內(nèi)容的重點是定量探究安培力大小與各量的關(guān)系，課本配有演示實驗圖。該實驗裝置的設(shè)計思想是：當有電流通過導(dǎo)體時導(dǎo)體將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過偏轉(zhuǎn)的角度來比較導(dǎo)體所受安培力的大小，其電流大小通過外電路控制，還可以分別接通2、3或1、4，從而改變通電導(dǎo)線在磁場中的長度，依據(jù)控制變量法來探究電流I以及通電導(dǎo)線長度L對安培力的影響。

許多作者都提出過改進的建議，筆者也認為該實驗描述過于簡略，需要進一步改進與完善。

2 安培力實驗裝置的改進

2.1 實驗改進

（1）通電導(dǎo)線

用塑料銅芯導(dǎo)線框（外徑0.90 mm，內(nèi)部銅芯直徑0.40 mm）代替通電導(dǎo)體棒（如圖1）。其特點是：質(zhì)量非常小，有一定強度不易形變，受安培力后偏轉(zhuǎn)明顯，而且取材十分方便，網(wǎng)線、數(shù)據(jù)線中都可以用。

（2）量角裝置

如圖1，在豎直的硬紙板上根據(jù)畫出的一個半徑為12 cm的量角器，直接讀出線框通電后在磁場中的偏角。

（3）磁場

馬蹄形磁鐵中間部分的磁場并非理論上的“勻強”，線圈靜止在不同的位置磁場是不同的[2]，若采用使兩塊磁鐵的同性磁極緊緊挨住[3]則中間區(qū)域基本可視為勻強磁場。本實驗為提高精度，專門利用蹄形磁鐵的中央特定區(qū)域來提供勻強磁場，如圖2所示。

（4）實驗裝置的制作

實驗裝置實物如圖3所示。將一小木棒固定在一塊紙板上，小木棒上包有導(dǎo)電性能良好的鋁箔，導(dǎo)線框圓環(huán)套在鋁箔上，鋁箔接電源正負極后，則導(dǎo)線框通電。

2.2 實驗原理

（1）探究安培力大小

通有電流I的導(dǎo)線L在磁場B中所受的安培力為F安=BIL

根據(jù)實驗裝置可知（如圖4）：

F安=mgtanθ=ILB

因此，只需測算出tanθ 與I、L的關(guān)系即可得到F與I、L的關(guān)系。通過改變滑動變阻器控制電流大小，記錄相應(yīng)的線框偏角，可得到安培力與電流的關(guān)系。保持電流不變，再增加若干對磁鐵，可改變通電導(dǎo)線在磁場中的長度，記錄相應(yīng)的線框偏角，可得到安培力與導(dǎo)線長度的關(guān)系。

（2）探究安培力方向

保持磁場方向不變，改變電流方向，或保持電流方向不變，改變磁場方向都可觀察到線框偏轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，由此也可用作演示探究安培力方向的實驗。

3 總 結(jié)

本文主要針對課本實驗裝置現(xiàn)象不明顯，對科學(xué)性問題進行改進，以提高安培力實驗的直觀性和科學(xué)性。該實驗裝置有如下特點：

（1）成本低且便于制作

實驗儀器是硬紙殼、塑料銅芯細導(dǎo)線、木筷等生活中隨處可得的材料。除此之外，電源（電池或?qū)W生電源）、導(dǎo)線、滑動變阻器、電流表（普通電流表或示教電流表）是普通學(xué)校物理實驗室都配備的基本儀器?？偟膩碚f該實驗裝置的優(yōu)點在于取材簡單方便，成本較低。

（2）實驗現(xiàn)象明顯

通過實際操作發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象十分明顯（最大擺角可達30°以上），操作便捷，準確性較高，可以作為定量探究安培力大小與電流和通電導(dǎo)線長度的關(guān)系的實驗裝置。

（3）用途較廣

該實驗裝置可以定量探究出安培力與電流I、通電導(dǎo)線長度L的關(guān)系，對得出安培力的公式F安=ILB有很大幫助，提供了科學(xué)依據(jù)，還可以用來探究安培力方向與電流方向、磁感應(yīng)強度方向的關(guān)系，得出左手定則，同時能夠激發(fā)學(xué)生的實驗熱情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

參考文獻：

[1]方劍，王志斌，劉衛(wèi)東.自制“定量探究安培力的實驗裝置”[J].實驗教學(xué)與儀器，2015，32（7）：105-107.

[2]徐小飛.“定量”探究影響通電導(dǎo)線受力的因素[J].中學(xué)物理， 2015， 33（21）：55-55.

[3]郭力強.用多塊蹄形磁鐵模擬勻強磁場——對演示實驗“磁場對電流的作用力”的幾點改進意見[J].物理通報， 2005（11）：60-61.