用電流天平測安培力與磁感應(yīng)強度的創(chuàng)新演示實驗

馮永慶 殷竹花

摘要：在粵教版、人教版等多種版本的中學(xué)物理教材中，探究通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的實驗均為定性實驗，用教材提供的方法很難實現(xiàn)定量研究，且教材中也沒有測量磁感應(yīng)強度的實驗。為解決上述問題，我們自制了一套新的創(chuàng)新實驗演示裝置，即利用自制矩形線圈來研究其所受安培力與所處位置的磁感應(yīng)強度，這對豐富教師的實驗視野、啟迪教師開發(fā)創(chuàng)新實驗、實現(xiàn)課堂教學(xué)中學(xué)生的深度學(xué)習與思考均有積極意義。

關(guān)鍵詞：安培力；磁感應(yīng)強度；電流天平；磁感應(yīng)強度表

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A文章編號：1992-7711（2020）03-0112

一、實驗背景

在人教社2010年版的普通高中物理選修3-1教材中，探究通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的影響因素的演示實驗是這樣做的：將一根直導(dǎo)線水平懸掛在三塊馬蹄形磁鐵間，導(dǎo)線與磁場方向垂直。當電流通過時，導(dǎo)線擺動一個角度，通過擺角大小定性研究安培力大小。但教材并未給出測量擺角大小的方法，也未給出擺角大小與安培力的具體關(guān)系。事實上，導(dǎo)線擺動時受力會發(fā)生變化，其所受安培力與擺角關(guān)系復(fù)雜且難以描述，因此該實驗只能定性為探究安培力的影響因素。

另外，磁感應(yīng)強度是電磁學(xué)中一個非常重要的物理量，它高度抽象。教師開展磁感應(yīng)強度的教學(xué)設(shè)計時，往往側(cè)重于定性描述，而在定量分析方面有所欠缺。這并不利于學(xué)生深化理解磁感應(yīng)強度這一物理量。

針對上述問題，筆者設(shè)計了利用電流天平基本原理測量線圈所受安培力及其所處位置磁感應(yīng)強度的實驗。

二、裝置簡說與原理本實驗裝置圖

1.改裝杠桿天平為電流天平測安培力

筆者設(shè)置電流天平，使線圈下邊框與磁場方向垂直，在杠桿另一端掛上重物，調(diào)節(jié)天平使其平衡。當電流通過導(dǎo)線時，由于線框側(cè)受安培力作用，杠桿失去平衡。這時，在天平一側(cè)掛上適當?shù)你^碼m1并通過調(diào)節(jié)鉤碼位置使杠桿重新平衡。依據(jù)力矩平衡條件：F安L0=m1gL1（L0是線圈到支點的距離，本實驗取20cm；m1是鉤碼質(zhì)量，本實驗m1分別取20g與50g；g是當?shù)刂亓铀俣?，本實驗?.78m/s2）。

因B與I是非線性關(guān)系，所以磁感應(yīng)強度表表盤刻度不均勻，讀數(shù)誤差較大，更精確的讀數(shù)可以通過下表查知。

3.線圈

為減小線圈上邊框所處位置的磁感應(yīng)強度對實驗測量結(jié)果引起的誤差，我們用直徑為3.5mm的銅線繞制9.0cm×20cm的250匝矩形線圈，線圈的長邊越長對實驗的誤差越小。為使實驗操作方便，本實驗線圈的長邊取20cm。

4.水平平衡指示裝置

基于本實驗的杠桿力矩平衡原理，我們在杠桿中心位置處固定了長指針，使指針與杠桿垂直，并在對應(yīng)位置懸掛了重錘線。調(diào)節(jié)天平，當指針與重錘線重合時，杠桿處于水平平衡，提高了實驗的精度。

三、實驗演示與步驟

1.利用本實驗裝置測安培力的實驗演示與步驟

（1）將線圈和重物分別掛于天平左右兩端，使天平平衡，記下線圈到支點O的距離L0=20cm；

（2）給線圈通以電流I，并使其短邊L2=9cm處于勻強磁場B中；

（3）若線圈所受安培力方向向下，則在天平右端掛一質(zhì)量為m1= 20g的鉤碼，通過調(diào)節(jié)鉤碼位置，使天平重新平衡，在電流天平上讀出此時線圈所受安培力的大??；

（4）若線圈所受安培力方向向上，則在天平左端掛一質(zhì)量為m1= 20g的鉤碼，通過調(diào)節(jié)鉤碼位置，使天平重新平衡，在電流天平上讀出此時線圈所受安培力的大小；

（5）保持線圈所處位置磁場不變，改變通電線圈電流大小，重復(fù)步驟2、3（或4），可分別讀出線圈所受安培力大??；

（6）若線圈所受安培力較大，20g鉤碼可換為50g鉤碼，同樣可在電流天平上讀出安培力的值。

2.利用本實驗裝置測磁感應(yīng)強度的實驗演示與步驟

（1）在天平右端固定位置L1=18cm處懸掛20g鉤碼，天平失去平衡；

（2）給線圈加磁場后，通過調(diào)節(jié)電流大小，使天平重新平衡，在磁感應(yīng)強度表（或查表）讀出線圈所處位置磁感應(yīng)強度大?。?/p>

（3）換用不同的磁鐵，改變線圈所處位置的磁感應(yīng)強度，重復(fù)步驟2，在磁感應(yīng)強度（或查表）讀出線圈所處位置磁感應(yīng)強度大小；

（4）如果線圈所處位置的磁場較強，20g鉤碼可換為50g鉤碼，同樣可在磁感應(yīng)強度表（或查表）得到磁感應(yīng)強度值。

四、數(shù)據(jù)測量與誤差

1.安培力測量

改變通電線圈電流大小，可使線圈受到不同的安培力，在電流天平上讀出線圈所受安培力的大小，列出表1記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。

2.磁感應(yīng)強度測量

換用不同的磁鐵，可使線圈處于不同的磁場中，在磁感應(yīng)強度表（或查表）讀出線圈所處位置磁感應(yīng)強度大小，并用精密儀器高斯計測量線圈處于不同磁場時的磁感應(yīng)強度大小，列出表2記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。

五、實驗創(chuàng)新與意義

這款用電流天平測安培力與磁感應(yīng)強度的創(chuàng)新實驗演示裝置主要有以下幾點創(chuàng)新之處。

1.利用杠桿二次平衡原理，將抽象的安培力用“鉤碼”的重力“替代”，在電流天平上可直觀準確地讀出線圈所受安培力，增大了實驗的可見度與可操作性，實驗現(xiàn)象明顯，演示效果好。

2.在磁感應(yīng)強度表上可直接讀出線圈所處位置的磁感應(yīng)強度大小，且測量結(jié)果經(jīng)與精密儀器高斯計測量值比較，誤差值在5%以內(nèi)，在實驗誤差要求范圍內(nèi)。

3.此自制實驗裝置利用杠桿力矩平衡原理，定量探究了線圈所受安培力與所處位置的磁感應(yīng)強度。

4.此自制實驗儀器取材便利，制作簡便，應(yīng)用于物理課堂實驗教學(xué)中具有啟發(fā)性、探究性，既激發(fā)了學(xué)生動手制作教具的興趣，又培養(yǎng)了學(xué)生分析解決問題的能力，更好的體現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)理念。

六、教學(xué)效果與反思

本實驗裝置針對課本演示實驗的不足，用生活與實驗室唾手可得的材料制作而成，方法簡單、容易掌握，操作性強。

本實驗裝置制作所使用的數(shù)據(jù)，是筆者根據(jù)制作的材料按實際情況而定的，讀者在參考制作時可視自己的實際情況進行修改，如線圈的匝數(shù)、懸掛鉤碼的質(zhì)量與位置等。

參考文獻：

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[3]薛貴，孟現(xiàn)柱.利用電流天平演示儀測量磁感應(yīng)強度[J].湖南中學(xué)物理，2018（11）：60-61.

（作者單位：廣東省梅縣東山中學(xué)514017）