定量探究安培力的影響因素
——安培力多元化演示儀的設(shè)計制作

黃愛鳳 李桂旺

(江蘇省前黃高級中學(xué),江蘇 常州 213161)

1 實(shí)驗(yàn)背景

圖1

人教版物理選修3-1用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置來研究安培力,銅棒移動的距離表示安培力的大小,用手推動磁鐵保持磁鐵和銅棒的相對位置不變的方法以達(dá)到磁場不變的目的．用銅皮卷成輕質(zhì)銅棒(因安培力太小,銅棒也應(yīng)較輕),兩個固定的鐵架臺架一支橫梁(塑料管),用夾子夾長絲線懸掛銅棒．筆者認(rèn)為這個實(shí)驗(yàn)存在著以下幾點(diǎn)不足之處: (1) 不能直觀顯示安培力; (2) 勻強(qiáng)磁場的獲得方法操作起來難度大; (3) 很難定量探究安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小的關(guān)系; (4) 很難定量探究安培力與電流和磁場方向夾角的關(guān)系．

針對上述不足,我們設(shè)計了定量測量安培力的實(shí)驗(yàn)裝置——安培力多元化演示儀．

2 安培力多元化演示儀的設(shè)計與制作

2.1 方案設(shè)計

(1) 本實(shí)驗(yàn)裝置由兩部分電路組成如圖2所示:左邊的電路由亥姆霍茲線圈、開關(guān)、安培表、滑動變阻器、電源串聯(lián)而成．右邊的電路由線框、開關(guān)、安培表、滑動變阻器、電源串聯(lián)而成. (2) 亥姆霍茲線圈可以產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與線圈中的電流成正比,勵磁電流的大小可以通過滑動變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié),通過安培表讀出數(shù)值．

(3) 線框中電流的大小可以由滑動變阻器來調(diào)節(jié),其數(shù)值可以由安培表讀出.

(4) 磁場中通電導(dǎo)線的長度由5個矩形線框來改變,它們繞線匝數(shù)相同、高度相同,僅寬度不同．

圖2

(5) 通電導(dǎo)線與磁場夾角的改變可以通過旋轉(zhuǎn)線框來實(shí)現(xiàn)．

(6) 將線框的中下部放在磁場中,在線框的底部放一個臺秤,在線框通電前后對臺秤的壓力差就是線框所受安培力的大小．

2.2 實(shí)驗(yàn)器材

根據(jù)該實(shí)驗(yàn)方案,我們準(zhǔn)備如圖3所示的器材:

圖3

亥姆霍茲線圈(報廢的洛倫茲力演示儀中可得)、臺秤、電源2個、滑動變阻器2只、安培表2只、開關(guān)2只、線框5個(長度不一樣,寬度和高度都是一樣)、漆包線若干、導(dǎo)線若干．

2.3 實(shí)驗(yàn)探究過程及數(shù)據(jù)處理

(1) 保持勵磁電流和通電導(dǎo)線的有效長度不變,將導(dǎo)線與磁場垂直放置,探究安培力與通電電流的關(guān)系,數(shù)據(jù)記錄如表1所示．

表1

數(shù)據(jù)處理如圖4所示

圖4

結(jié)論:安培力與通電電流成正比.

(2) 保持通電電流和通電導(dǎo)線的有效長度不變,將導(dǎo)線與磁場垂直放置,探究安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度(勵磁電流)的關(guān)系,數(shù)據(jù)記錄如表2所示．

表2

數(shù)據(jù)處理如圖5所示.

圖5

結(jié)論:安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比.

(3) 保持勵磁電流和通電電流不變,將導(dǎo)線與磁場垂直放置,探究安培力與通電導(dǎo)線的有效長度的關(guān)系,數(shù)據(jù)記錄如表3所示．

表3

數(shù)據(jù)處理如圖6所示

圖6

結(jié)論:安培力與通電直導(dǎo)線的有效長度成正比.

(4) 保持勵磁電流、通電電流和通電導(dǎo)線的有效長度不變,探究安培力與通電電流的關(guān)系探究安培力與磁場和通電直導(dǎo)線夾角的關(guān)系,數(shù)據(jù)記錄如表4所示．

表4

數(shù)據(jù)處理如圖7所示

圖7

結(jié)論:安培力與磁場和通電直導(dǎo)線夾角的正弦成正比.

(5) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

通過安培力多元化演示儀的精確測量,在誤差允許范圍內(nèi)我們可以得到F=BILsinθ這一關(guān)系.

(6) 誤差分析.

(1) 本次實(shí)驗(yàn)采用的電子秤精度為0.01克,空氣流動也會影響示數(shù),所以讀數(shù)不是太穩(wěn)定,所以要盡量在安靜的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

(2) 手工繞制線圈,松緊不一致.

(3) 邊界磁場雖然很弱,但對線圈也有力的作用.

(4) 線圈發(fā)熱會改變電流的大小.

3 實(shí)驗(yàn)反思

(1) 本次實(shí)驗(yàn)通過電子秤的兩次示數(shù)差得到安培力大小,簡單明了地證實(shí)了安培力與磁場、電流、有效長度的關(guān)系,讓學(xué)生能夠解決疑惑,容易接受．

(2) 本次實(shí)驗(yàn)器材可操作性比較強(qiáng),可以作為課堂演示實(shí)驗(yàn),也可以進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)．

(3) 關(guān)于改變通電直導(dǎo)線的長度還可以按如圖8所示的方法來實(shí)現(xiàn),在繞制過程中每5匝線圈接出一個接線柱來實(shí)現(xiàn)改變通電導(dǎo)線有效長度(左圖是正面效果,右圖是反面效果)．

圖8

(4) 本實(shí)驗(yàn)還可以在已知公式F=BIL的基礎(chǔ)上,測出安培力的大小、通電電流的大小、通電直導(dǎo)線的有效長度,算出勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小．