安培力方向判斷演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

翁曉隆

摘 要：提出三種安培力方向判斷演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法，最終確定水平方向F2是安培力的唯一方向。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師必須要明確指導(dǎo)學(xué)生，以利于學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)思維的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：安培力；方向判斷；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

人教版3-1《磁場(chǎng)》章節(jié)中《通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力》這節(jié)課的教學(xué)，重點(diǎn)是探究安培力的方向與哪些因素有關(guān)，在教學(xué)中往往要進(jìn)行學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)。其中關(guān)于安培力方向的判斷，在目前的教學(xué)中常見的方法有兩種：

（1）利用懸掛的導(dǎo)體棒的初始運(yùn)動(dòng)方向來(lái)判斷安培力的方向，如圖1所示。

探究結(jié)論：導(dǎo)體棒的初始運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閷?dǎo)體棒通電后受安培力的方向。

（2）利用導(dǎo)軌上導(dǎo)體棒的初始運(yùn)動(dòng)方向來(lái)判斷安培力的方向，如圖2所示。

探究結(jié)論：導(dǎo)體棒的初始運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閷?dǎo)體棒通電后受安培力的方向。

以上兩種方法在現(xiàn)象判斷和結(jié)論分析方面存在著一定問(wèn)題，假如安培力的方向在如圖3中所示中的F1和F3兩種情況下，都可以使導(dǎo)體棒向右運(yùn)動(dòng)，因此排除掉F1和F3的可能性，最終確定水平方向F2是安培力的唯一方向，教師在學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)前必須要明確指導(dǎo)學(xué)生，否則不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S。

通過(guò)本人在教學(xué)過(guò)程中的摸索和實(shí)驗(yàn)，摸索出三個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案。

演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案一：改變磁鐵擺放的方向，看安培力引起的效果

設(shè)計(jì)原理：

在如圖1所示裝置中，通電后導(dǎo)體棒向右運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體棒可能受到如圖3所示的F1、F2或F3三種可能情況。若將蹄形磁鐵豎直放置，磁場(chǎng)水平方向。若導(dǎo)體棒通電后受到如圖3所示的F1時(shí)，當(dāng)磁鐵豎直放置時(shí)，導(dǎo)體棒受到如圖4所示F1作用，在水平分力作用下向右運(yùn)動(dòng)；若導(dǎo)體棒通電后受到如圖3所示的F3時(shí)，當(dāng)磁鐵豎直放置時(shí)，導(dǎo)體棒受到如圖4所示F3作用，在水平分力作用下向左運(yùn)動(dòng)；若導(dǎo)體棒通電后受到如圖3所示的F2時(shí)，當(dāng)磁鐵豎直放置時(shí)，導(dǎo)體棒受到如圖4所示F2作用，豎直方向運(yùn)動(dòng)。

演示實(shí)驗(yàn)裝置：

圖5為改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置是在懸掛金屬棒的兩導(dǎo)線上增加兩個(gè)勁度系數(shù)較小的彈簧，金屬棒用空心鋁棒或用錫箔卷在水筆筆芯上，將細(xì)銅絲（去除絕緣漆）焊接在空心鋁棒兩端后固定在兩彈簧上，然后再繞過(guò)彈簧連接到接線柱上（防止因?yàn)閺椈稍谕姾笫湛s而影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性）。將蹄形磁鐵豎直放置。

演示實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

將裝置接入電路中，電源選用4節(jié)干電池，讓蹄形磁鐵水平放置，即磁場(chǎng)方向是豎直方向，當(dāng)通電后金屬棒擺動(dòng)（如圖1所示向右擺動(dòng)），則金屬棒受力的方向可能是如圖3所示的F1、F2或F3三種可能情況。再將蹄形磁鐵豎直放置，如圖5所示，即磁場(chǎng)方向是水平方向，反復(fù)接通和斷開開關(guān)，發(fā)現(xiàn)金屬棒只上下振動(dòng)而不左右擺動(dòng)。據(jù)此判斷安培力方向是在豎直方向上，從而證明了前一次安培力的方向?yàn)樗椒较虻腇2唯一確定性。為了讓現(xiàn)象更明顯，該實(shí)驗(yàn)沒(méi)有使用保護(hù)電阻而采取直接將導(dǎo)體棒接入電源兩端的方法，因此每次實(shí)驗(yàn)接通開關(guān)后應(yīng)馬上斷開，以防電源過(guò)載。

演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案二：利用錫箔絲受安培力發(fā)生形變的方向來(lái)判斷安培力方向

設(shè)計(jì)原理：

將導(dǎo)體棒換成質(zhì)量很輕、比較柔軟的錫箔絲，穿在兩金屬支架上，并安放在蹄形磁鐵中間，通電后錫箔絲在安培力的作用下運(yùn)動(dòng)并發(fā)生形變，通過(guò)錫箔絲的形變方向就可以判斷出安培力的方向。

演示實(shí)驗(yàn)裝置：

將錫箔紙剪成寬2 mm左右，長(zhǎng)10 cm左右的細(xì)絲并拉直。將兩金屬桿固定在木板上，一端制成很小的口字型金屬套，將錫箔絲穿進(jìn)兩金屬套中，保證錫箔絲和金屬套接觸良好，且錫箔絲可以在金屬套中前后移動(dòng)，錫箔絲拉直并與磁場(chǎng)垂直。金屬桿靠木板端夾上導(dǎo)線，如圖6所示。

演示實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

將裝置接入電路，電源為4節(jié)干電池，讓蹄形磁鐵磁場(chǎng)方向豎直。錫箔絲拉直水平放置，忽略重力作用，閉合電鍵，錫箔絲在較強(qiáng)的安培力作用下，水平方向運(yùn)動(dòng)，由于錫箔絲可以在金屬套中前后移動(dòng)，錫箔絲發(fā)生彎曲，且彎曲方向朝水平方向。多次轉(zhuǎn)動(dòng)蹄形磁鐵，改變磁場(chǎng)方向，錫箔絲的彎曲方向始終與磁場(chǎng)方向垂直，證明了圖3安培力的方向?yàn)樗椒较虻奈ㄒ淮_定性。該實(shí)驗(yàn)沒(méi)有使用保護(hù)電阻，因此每次實(shí)驗(yàn)接通開關(guān)后應(yīng)馬上斷開。

演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案三：用力傳感器測(cè)力的豎直分量

設(shè)計(jì)原理：

如果安培力的方向不是沿圖3中F2的水平方向，那么該力會(huì)產(chǎn)生豎直方向的分力，如圖7所示，若能夠判斷出安培力的豎直分力是否存在，就可以解決安培力是否水平的問(wèn)題。

演示實(shí)驗(yàn)裝置：

豎直方向的力我們用DIS力傳感器來(lái)測(cè)量（力傳感器的示數(shù)可以顯示到0.001 N），在有機(jī)玻璃板平臺(tái)上固定兩根粗銅絲作為導(dǎo)軌，將一錫箔紙卷成的導(dǎo)體棒（多卷幾層，邊緣用金屬膠粘?。┐怪睂?dǎo)軌水平放置。兩導(dǎo)軌各連接一金屬導(dǎo)線通過(guò)支架一起固定到力傳感器上，如圖8所示。將該裝置放入豎直方向的磁場(chǎng)中，該磁場(chǎng)由兩塊較大的平行放置的永久磁鐵產(chǎn)生，可近似看做勻強(qiáng)磁場(chǎng)，導(dǎo)軌平面水平，如圖9 所示。

演示實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

將力傳感器、數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接，點(diǎn)擊DISLab通用軟件，計(jì)算機(jī)界面上顯示力傳感器的數(shù)值。接通電源前，力傳感器顯示的是整個(gè)支架受到的重力，為了能更好地觀察通電后力傳感器測(cè)量的力情況，點(diǎn)擊界面上調(diào)零按鈕，先將力傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)零，如果導(dǎo)體棒通電后受安培力為圖7中的F1則力傳感器顯示負(fù)值。如果受安培力為圖7中的F3則力傳感器顯示正值。接下來(lái)閉合電鍵通電，觀察導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)情況和屏幕上力傳感器顯示的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是通電后導(dǎo)體棒在安培力作用下快速做水平運(yùn)動(dòng)，同時(shí)力傳感器顯示的示數(shù)幾乎一直為零，證明了安培力的方向?yàn)樗椒较虻腇2唯一確定性。

前兩個(gè)方案是定性演示實(shí)驗(yàn)，第三個(gè)方案是定量演示實(shí)驗(yàn)。在2016年舉行的浙江省中學(xué)物理課堂教學(xué)大賽上，我在《通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力》一課上，運(yùn)用了上述演示實(shí)驗(yàn)，得到評(píng)委高度肯定，獲得了一等獎(jiǎng)第一名的好成績(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]許文龍.優(yōu)化演示提高物理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2008（3）.

[2]戴惠恩.淺談物理演示實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2007（8）.

[3]何連春.中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的方法研究與設(shè)計(jì)實(shí)踐[D].山東師范大學(xué)，2006.

編輯 張珍珍