電流天平的改進，定量探究安培力

陳一翔

摘要：安培力的研究是高中物理知識體系中比較重要的知識，運用教材中介紹的電流天平為背景，改進實驗裝置，運用電子天平和傳統(tǒng)“桿秤”相結(jié)合，搭配學生電源，電流表，滑動變阻器等常見的儀器設計實驗。改進后的實驗裝置能夠定量地探究了安培力F與磁感應強度B、電流I、導線長度l及B與I的夾角θ的關系

關鍵詞：安培力；電流天平；定量探究

本文介紹的實驗儀器的設計靈感來自于人教版高中物理選修3-1第三章第四節(jié)《通電導線在磁場中受到的力》一節(jié)中的課后問題與練習中第三題。

原題如下：圖所示為電流天平，可以用來測量勻強磁場的磁感應強度。它的右臂掛著矩形線圈，匝數(shù)為n，線圈的水平邊長為l，處于勻強磁場內(nèi)，磁感應強度B的方向與線圈平面垂直。當線圈中通過電流I時，調(diào)節(jié)砝碼使兩臂達到平衡。然后使電流反向，大小不變。這時需要在左盤中增加質(zhì)量為m的砝碼，才能使兩臂再達到新的平衡。

（1）導出用n、m、l、I計算B的表達式。

（2）當n=9，l=10.0cm，I=0.10A，m=8.78g時，磁感應強度是多少？

筆者依據(jù)該題中所描述的電流天平的基礎上進行實驗設計，考慮到安培力的變化量較小，故改進為不等臂杠桿，設計成傳統(tǒng)的桿秤的樣式。但由于處在磁場中的線圈通電后，受到安培力的作用，使得“桿秤”不再平衡，需要重新尋找新的平衡位置，可較容易判斷安培力的方向，但對于大小雖然可以運用力矩的關系定量算出，但是很麻煩，課堂演示不方便。故筆者設計該實驗裝置采用電子天平上放置一個重錘，重錘上方勾著“桿秤”。實驗裝置實物照片如圖所示。

演示實驗時，將電子天平讀書歸零。當通電后，處在磁場中的線圈收到安培力的作用，電子天平的示數(shù)由原來的0發(fā)生變化，數(shù)值可以用以便是安培力的大小的倍數(shù)（因為不是等臂杠桿），正負表示所受安培力的方向。當轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺上的磁鐵，即改變了磁場與電流的夾角，電子天平的示數(shù)也隨之改變。當線圈位置與磁感應強度方向平行時，電子天平的示數(shù)變?yōu)?，即表示此位置，線圈不受安培力的作用。

該裝置可以用于《3.2磁感應強度》一節(jié)中，定量探究F與I、L 的關系?？梢酝ㄟ^改變滑動變阻器，改變電流I，記錄多組F與I 的數(shù)據(jù)；將線圈放置在磁場中的長度加倍，其余條件不變，觀察F與I的數(shù)據(jù)規(guī)律，從而得出相應的結(jié)論。

該裝置可以用于《3.4通電導線在磁場中受到的力》一節(jié)中定量探究F與B和IL的夾角θ的關系。在磁鐵盤下方放置一個自制的圓形量角器刻度盤，轉(zhuǎn)動磁鐵，即改變θ。記錄θ與F的數(shù)據(jù)，輸入Excel表格，可以輔助得出相應的結(jié)論。

參考文獻：

[1]王玉涵，代偉，羅潔，鄒勤，王丹.安培力定量分析演示儀的改進[J].物理實驗，2017，37（04）：56-58+62

[2]胡敏強.安培力定量演示裝置設計與實驗研究[J].物理實驗，2006（06）：26-27+30.