定量探究安培力實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

鄭宇晴,王佳偉，張軼炳

(寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

人教版高中物理(選修3-1)“磁感應(yīng)強(qiáng)度”中給出關(guān)于通電導(dǎo)線受力影響因素的演示實(shí)驗(yàn).通過觀察導(dǎo)線擺動的角度判斷其受力，通過改變電流大小及通電導(dǎo)線的長度探究通電導(dǎo)線受力與導(dǎo)線長度及電流大小的關(guān)系；隨后直接給出通電導(dǎo)線在磁場受力的公式[1].然而，這種定性的實(shí)驗(yàn)效果并不明顯，學(xué)生只能粗略得出結(jié)論；公式定量關(guān)系的直接給出也容易導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)邏輯跳躍，缺乏說服力.為使實(shí)驗(yàn)效果更明顯，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)[2-5]，改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)利用天平稱出通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力，通過控制變量法定量分析安培力影響因素.

1 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置

改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，可分為磁場部分、安培力秤量部分及電流調(diào)節(jié)部分.

圖1 改進(jìn)裝置

1) 磁場部分：成對50.8 mm×25.4 mm×12.7 mm銣鐵硼強(qiáng)力長方體磁鋼吸附自制U型鐵槽.銣鐵硼強(qiáng)磁鐵具有強(qiáng)磁性，N極和S極相對吸附U型鐵槽兩側(cè)，可產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場.實(shí)驗(yàn)疊加多對磁鐵可改變磁感應(yīng)強(qiáng)度大小.磁鋼磁性強(qiáng)，且屬易碎品，相互吸附不易取開，因此實(shí)驗(yàn)中在磁鋼上包裹軟紙纏繞上膠帶.

2)安培力稱量部分：采用高精確度、抗干擾電子天平，精確度達(dá)0.01 g，具有校準(zhǔn)、置零、正負(fù)讀數(shù)等功能.通過稱出的豎直施加秤盤上彈力對應(yīng)的質(zhì)量反映出通電導(dǎo)線所受安培力大小.

3)電流調(diào)節(jié)部分：UTP3313TEL(0～3 A,0～30 V)型可調(diào)直流穩(wěn)壓電源供電，結(jié)合滑動變阻器改變電流大小.可調(diào)直流穩(wěn)壓電源帶有4個(gè)旋鈕，可“粗調(diào)”、“細(xì)調(diào)”電路中的電壓(量程范圍為0～30 V)、電流值(量程范圍為0～3 A).其數(shù)字顯示屏可自測并顯示電路電流大小，更方便電壓及所通過電流值的讀出.

4)其他實(shí)驗(yàn)儀器：滑動變阻器(50 Ω，1.5 A)，鐵架臺，金屬銅棒，若干導(dǎo)線.

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)原理

天平是測量質(zhì)量的儀器，因此并不能直接秤出安培力.但可將導(dǎo)線受到的安培力轉(zhuǎn)換為對天平的彈力，從而測量安培力變化對應(yīng)的質(zhì)量數(shù)值.

3 實(shí)驗(yàn)定量探究

U型鐵槽吸附1對強(qiáng)磁鐵(勻強(qiáng)磁場環(huán)境)，置于電子天平托盤并“置零”處理(使示數(shù)直接顯示通電后的安培力大小).

3.1 探究影響安培力大小的因素

1)實(shí)驗(yàn)1：探究安培力大小與電流大小的關(guān)系.

電源接通，調(diào)節(jié)電源電壓及滑動變阻器，改變電流大小，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，利用Excel描繪安培力大小與電流大小關(guān)系如圖2所示.

實(shí)驗(yàn)中磁場由1對強(qiáng)磁鐵提供，磁場與導(dǎo)線方向始終垂直，置磁場中的導(dǎo)線長度為5 cm.

表1 “探究安培力大小與電流大小關(guān)系”實(shí)測數(shù)據(jù)

圖2 探究安培力大小與電流大小關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:在磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場中導(dǎo)線長度一定時(shí)(磁場與導(dǎo)線方向垂直)，由擬合方程可知，其截距較小，在誤差允許范圍內(nèi)，可以忽略不計(jì)，故可以認(rèn)為導(dǎo)線所受安培力與電流大小成正比.

2)實(shí)驗(yàn)2：探究安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的關(guān)系.

在鐵槽兩側(cè)依次疊加吸附1～3對實(shí)驗(yàn)磁鋼進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn).天平“置零”后接通電源，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，如表2所示,利用Excel繪制圖像關(guān)系如圖3所示.

實(shí)驗(yàn)中磁場與導(dǎo)線方向始終垂直,置于磁場中的導(dǎo)線長度為5 cm.

表2 “探究安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小關(guān)系”實(shí)測數(shù)據(jù)

圖3 安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小關(guān)系圖像

縱向分析發(fā)現(xiàn)，在電流一定時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，對應(yīng)安培力越大.由此可得到在電流及磁場中導(dǎo)線長度一定時(shí),安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小正相關(guān).

3)實(shí)驗(yàn)3：探究安培力大小與磁場中導(dǎo)線長度的關(guān)系.

換用較寬的U型鐵槽做實(shí)驗(yàn)，在鐵槽對側(cè)吸附3對強(qiáng)磁鐵.設(shè)通電導(dǎo)線長度為L，磁場寬度為dB.

a.當(dāng)L>dB時(shí)，用長銅棒(長銅棒長度>U型鐵槽長度)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖4所示.在電流恒為1.2 A時(shí)，轉(zhuǎn)動銅棒至不同角度(不要接觸到U型鐵槽以免影響測量)，記錄示數(shù).

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：銅棒可轉(zhuǎn)動范圍(電流恒為1.2 A)內(nèi)，天平示數(shù)變化很小，浮動在0.49～0.51 g間.

b.當(dāng)L

圖4 當(dāng)長銅棒長度>U型鐵槽長度時(shí)，電子秤的示數(shù)

(a)電子秤示數(shù)

(b)對應(yīng)刻度圓圖樣

連接儀器，將銅絲水平部分懸空置于秤盤刻度0°～180°線豎直上方，U型鐵槽放于秤盤，調(diào)整鐵槽使磁場與導(dǎo)線方向夾角依次為0°,10°,20°,30°，…，180°，記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3.利用Excel繪制圖像關(guān)系如圖6～7所示.

磁場由3對強(qiáng)磁鐵提供，細(xì)銅線下端導(dǎo)線長度為5 cm，電流恒為1.2 A.

表3 探究安培力與磁場及導(dǎo)線方向夾角的關(guān)系

圖6 安培力F與夾角θ的關(guān)系

圖7 安培力與的sin θ關(guān)系

當(dāng)L

只有垂直磁場方向的通電導(dǎo)線長度對安培力大小有影響.轉(zhuǎn)動銅棒(L>dB)，其垂直磁場方向的導(dǎo)線長度不變，天平所測安培力大小幾乎為定值.當(dāng)L

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度一定時(shí)，由擬合方程可知，其截距較小，在誤差允許范圍內(nèi)，可忽略，故可認(rèn)為安培力與垂直磁場方向的導(dǎo)線長度Lsinθ成正比關(guān)系.

3.2 探究影響安培力方向的因素

1)實(shí)驗(yàn)4：探究安培力方向與電流方向關(guān)系.

改變電流方向，“置零”后接通電源，記錄不同電流值時(shí)天平示數(shù)，實(shí)驗(yàn)1記錄對比，見表4，利用Excel繪制相應(yīng)對比圖像關(guān)系如圖8所示.

表4 “探究安培力方向與電流方向關(guān)系”實(shí)測數(shù)據(jù)

圖8 正負(fù)向電流對安培力方向的影響

兩直線基本關(guān)于橫軸對稱.說明電流方向轉(zhuǎn)換后，安培力大小不變，只有方向發(fā)生變化.安培力方向與電流方向有關(guān).

2)實(shí)驗(yàn)5：探究安培力方向與磁場方向的關(guān)系.

在實(shí)驗(yàn)4基礎(chǔ)上，對換U型鐵槽前后方向(改變磁場方向)，“置零”后接通電源，記錄不同電流值時(shí)天平示數(shù)，并與實(shí)驗(yàn)4數(shù)據(jù)對比記錄，見表5，利用Excel繪制相應(yīng)對比圖像關(guān)系見圖9.

兩直線基本關(guān)于橫軸對稱.說明磁場方向?qū)Q后，安培力大小幾乎不變，只有方向發(fā)生變化.安培力方向與磁場方向有關(guān).

表5 “探究安培力方向與磁場方向關(guān)系”實(shí)測數(shù)據(jù)

圖9 正負(fù)向磁場方向?qū)Π才嗔Ψ较虻挠绊?/p>

4 結(jié)束語

采用天平稱量安培力，使定性觀察轉(zhuǎn)換為定量探究安培力影響因素，與教材相比，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全面、準(zhǔn)確且具有說服力，本設(shè)計(jì)存在幾點(diǎn)待改進(jìn)之處：探究安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小關(guān)系時(shí)，由于缺乏測量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的儀器，無法確定多塊磁鐵疊加所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值，故此結(jié)論沒有直接給出兩者正比關(guān)系，而是表述為成正相關(guān).探究安培力與磁場及導(dǎo)線方向夾角關(guān)系時(shí)，轉(zhuǎn)動角度不夠精確，導(dǎo)致曲線擬合效果一般，仍需改進(jìn).本實(shí)驗(yàn)中需要額外注意，所用強(qiáng)磁鐵具有較強(qiáng)磁性，在使用時(shí)要帶好防護(hù)手套，以免夾傷雙手.磁鐵屬于易碎物品，注意輕拿輕放，放置在避開鐵制品的場所.