基于DIS設(shè)計和制作“磁感應(yīng)強度綜合演示實驗儀”

郝晶如 楊效華

(聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院 山東 聊城 252000)

甄延敏

(聊城市東昌府區(qū)紅旗小學(xué) 山東 聊城 252000)

郭 輝

(聊城市聊城一中 山東 聊城 252000)

人教版高中《物理·選修3-1》第三章第2節(jié)磁感應(yīng)強度在“探究通電導(dǎo)線受磁場作用力的影響因素”這一實驗中進行了這樣的設(shè)計：使用3塊“U”型磁鐵并列放置在桌面上，將一根通電直導(dǎo)線懸掛在兩極之間，通過改變外部電路的輸出電壓控制導(dǎo)體中的電流，通過改變接入直導(dǎo)線中的接線頭位置控制通電導(dǎo)線的長度(如圖1所示).先保持導(dǎo)線通電部分的長度不變，改變電流的大??；然后保持電流不變，改變導(dǎo)線通電部分的長度.通過觀察懸線傾角的變化，分別判斷電流大小、通電導(dǎo)線長度對導(dǎo)線受力的影響.

圖1 探究通電導(dǎo)線受磁場作用力的影響因素示意圖

1 實驗中存在的不足

(1)在實際的操作中發(fā)現(xiàn)，這一實驗的實驗現(xiàn)象并不明顯.實驗通過懸線與豎直方向的夾角θ來表示安培力的大小，而這個夾角的大小學(xué)生很難觀察[1].

(2)實驗室中“U”形磁鐵的磁感應(yīng)強度較低，均低于0.1 T，并且我們知道磁鐵的磁力“兩頭強，中間弱”，該實驗無法采用“U”型磁鐵磁力最強的部分.因此采用“U”型磁鐵的使用不合理.

(3)使用單根通電直導(dǎo)線來作為研究對象時，受磁場大小的限制，導(dǎo)線長度不會很長，因此若要使得安培力F較大，需要使用較大的電流I，這不符合高中物理實驗室的安全規(guī)定.

(4)隨著電流I與導(dǎo)體長度L的改變，懸線與豎直方向的夾角θ也在改變，但我們無法測量出其具體改變了多少，無法進行定量研究.

2 實驗的改進

2.1 磁場的選擇

磁感應(yīng)強度綜合演示實驗儀要求使用4 500 Gs以上的勻強磁場，國內(nèi)目前生產(chǎn)的磁磚強度無法達到要求，為解決這一問題,磁感應(yīng)強度綜合演示實驗儀使用了4塊10 cm×6 cm×1.5 cm的稀土磁磚(如圖2所示，網(wǎng)上購買)，分別將兩塊磁磚疊加使得磁場得到加強，再將疊加后的磁磚異名磁極相對放置，二者之間存在8 cm長的空間，在這段空間中的磁場磁感應(yīng)強度達到了5 000 Gs，并且磁感應(yīng)強度的變化很小，滿足了實驗要求.

圖2 稀土磁磚

2.2 安培力的可視性

設(shè)計中配備了較為先進的力傳感器，精度可達1×10-3N，能夠準確地測量出安培力的大小，通過數(shù)據(jù)線將測量結(jié)果傳遞到電腦中并投放到教室屏幕上，所有學(xué)生都能直接觀察到安培力大小的變化.

2.3 電流的雙重控制

實驗過程中要求控制電流的大小，本儀器采用了雙重控制的辦法.首先，使用可調(diào)式學(xué)生電源，通過改變電源的輸出電壓來達到改變電流的目的[2]；另外，儀器中還增加了一個最小值為0.1 Ω的電阻箱.使用調(diào)節(jié)輸出電壓的方式作為粗調(diào)，用調(diào)節(jié)電阻箱阻值的方式作為細調(diào)，通過電流傳感器與電腦得到所需的電流，準確并且直觀.

2.4 采用通電線圈代替通電直導(dǎo)線

將通電線圈的一邊水平放入勻強磁場當中，設(shè)這個線圈的匝數(shù)為N，放入磁場的邊長為a，整個線圈受到的安培力大小為Fn，則相當于長度L=Na的通電直導(dǎo)線受到大小為Fn的安培力.當需要測量通電導(dǎo)線的長度與其受到安培力大小的關(guān)系時，只需改變線圈的匝數(shù)即可.并且，把多個相同的線圈繞在一個矩形框架上，通過開關(guān)旋鈕達到單個線圈通電或幾個線圈通電的目的，這樣就能改變通電導(dǎo)體的有效長度.

2.5 實驗裝置的一體化

在以往的實驗中，需要組裝部件連接電路，操作過程繁瑣并且難以成功.將所有元件一體化組成實驗儀器，如圖3所示，實驗過程中只需接通電源，連接電腦即可開始測量，節(jié)省了大量的時間，并且能夠保證實驗的成功.

圖3 磁感應(yīng)強度綜合演示實驗儀整體圖

3 儀器元件及制作

3.1 儀器元件

磁感應(yīng)強度綜合演示實驗儀所用到的主要元件有：調(diào)壓式學(xué)生電源1個、特制矩形線圈1個、力傳感器與電流傳感器及其相關(guān)軟件、電阻箱1個、磁磚4塊、軸承1個、導(dǎo)線若干、變擋開關(guān)1個、USB延長線2根、木板4塊(如圖4所示).

1.學(xué)生電源；2.矩形線圈；3.力傳感器；4.電流傳感器；5.電阻箱；6.磁磚；7.軸承；8.導(dǎo)線；9.USB延長線

3.2 組裝儀器

(1)用木板制成一個四面封閉兩面開口的正方體外殼，開口的兩面分別為上面和正面.木板之間可用直角架固定.

(2)用木條在外殼上面制成一橫梁，將矩形線圈固定在力傳感器上，再將力傳感器固定在橫梁上，從上到下的順序依次是橫梁、力傳感器、特制矩形線圈.力傳感器的掛鉤應(yīng)位于線圈一邊的中點.

(3)將特制矩形線圈用導(dǎo)線與變擋開關(guān)相連接，變擋開關(guān)固定在外殼左面，開關(guān)擋位分別連接至線圈的0匝、40匝、80匝、120匝、160匝和200匝處(如圖5所示).

(4)將兩塊強磁磚的異名磁極相對放置,使二者之間的空隙為8 cm，并保證特制矩形線圈的下邊位于兩磁磚之間，線圈底邊需垂直于磁感線的方向.用3個直角架可以固定一塊磁磚，做成可拆卸的方式.將磁磚固定在外殼的底面木板上.

圖5 (1)～(3)儀器組裝示意圖

(5)按照圖6所示的電路圖將電流傳感器、學(xué)生電源、電阻箱接入電路，得到儀器組裝示意圖如圖7所示.

圖6 磁感應(yīng)強度綜合演示實驗儀電路圖

圖7 儀器組裝示意圖

(6)將USB延長線一端接在力傳感器上，另一端打孔固定在外殼左側(cè)木板上，再用同樣的方法連接電流傳感器，實驗儀整體如圖3所示.

4 儀器的使用

4.1 準備階段

連接電腦，將磁感應(yīng)強度綜合演示實驗儀通過USB接口與電腦相連接并啟動相關(guān)軟件進行設(shè)置.

4.2 導(dǎo)線長度一定時安培力與電流之間的關(guān)系

改變電流的方式有兩種，可以通過調(diào)節(jié)學(xué)生電源上的調(diào)壓旋鈕或是改變電阻箱的阻值來實現(xiàn).具體步驟如下.

(1)當使用學(xué)生電源上的調(diào)壓旋鈕調(diào)節(jié)電流時

1)調(diào)零.這里的調(diào)零針對的是力傳感器與電流傳感器.調(diào)零的方式有兩種，分別為機械調(diào)零和軟件調(diào)零，機械調(diào)零時需點擊電腦頁面上方的開始按鈕，之后按動傳感器上的調(diào)零按鈕，當屏幕中輸出的值均為0時即為調(diào)零成功.軟件調(diào)零時需點擊屏幕上方的調(diào)零選項再點擊開始即可.在這里需對力傳感器的調(diào)零進行說明.當學(xué)生電源處于關(guān)閉狀態(tài)時，力傳感器測量的量實際為特制矩形線圈自身受到的重力，但由于重力這一物理量對本次試驗是一個無關(guān)量，因此調(diào)零并打開電源后力傳感器的示數(shù)即為安培力的大小(類似電子秤上的“去皮”).

2)安裝磁磚，并設(shè)置傳感器.

3)將旋鈕開關(guān)置于“40擋”，打開學(xué)生電源開關(guān).

4)點擊屏幕上的“開始”按鈕后，迅速轉(zhuǎn)動學(xué)生電源上的調(diào)壓旋鈕.此時在屏幕中的點線圖上會出現(xiàn)一排清晰的點.

5)點擊屏幕上方的“結(jié)束”按鈕,保存所得數(shù)據(jù).

(2)當使用電阻箱調(diào)節(jié)電流時

1)重復(fù)(1)中的步驟1)，2)，3).

2)當屏幕上的點線圖當中出現(xiàn)一個點時，轉(zhuǎn)動電阻箱的“×10”擋.

3)重復(fù)(2)中步驟2)得到清晰的5個點.

4)點擊屏幕上方的“結(jié)束”按鈕,保存所得數(shù)據(jù).

4.3 電流一定時導(dǎo)線長度與安培力之間的關(guān)系

(1)重復(fù)4.2(1)中的1)和2).

(2)使用數(shù)字儀表，打開電源開關(guān)，將數(shù)據(jù)記錄在表1中.

(3)轉(zhuǎn)動旋鈕開關(guān)，通過調(diào)節(jié)電阻箱使得電流的大小一致，記錄數(shù)據(jù).

(4)重復(fù)步驟4.3中的(3).

(5)點擊“結(jié)束”按鈕并關(guān)閉電源.

表1 實驗數(shù)據(jù)記錄表

4.4 數(shù)據(jù)的處理

本次實驗數(shù)據(jù)采用電腦處理的方式，目的是使用少量的時間得到準確、清晰的結(jié)論.

(1)當L不變時，F(xiàn)與I之間的關(guān)系數(shù)據(jù).

打開保存數(shù)據(jù)，判斷誤差較小的點并選中，選擇線性擬合得到通電導(dǎo)線長度L不變時，安培力的大小F與導(dǎo)體中電流I之間的關(guān)系點線圖[3]，如圖8所示.

結(jié)論：當通電導(dǎo)線長度L不變時，安培力的大小F與導(dǎo)體中電流I成正比關(guān)系，即F∝I.

圖8 安培力與電流之間的關(guān)系

(2)當I一定時，F(xiàn)與L之間的關(guān)系數(shù)據(jù).

將表格的數(shù)據(jù)用Excel處理后得到點線圖如圖9所示.

圖9 安培力與導(dǎo)體長度關(guān)系示意圖

結(jié)論：當電流I一定時，導(dǎo)線受到的安培力F與通電導(dǎo)線長度L成正比，即F∝L.

5 功能拓展

5.1 驗證左手定則

在實際高中階段教學(xué)中，可以使用磁感應(yīng)強度綜合演示實驗儀來幫助學(xué)生理解驗證左手安培定則.具體做法是：

(1)安裝磁磚，啟動電腦軟件.

(2)打開力傳感器與電流傳感器的數(shù)字儀表.

(3)調(diào)零.

(4)啟動電源.

(5)根據(jù)屏幕中實驗儀表示數(shù)的“+”“-”可判斷安培力與電流的方向，由磁磚上標記的“N”“S”可以判斷磁感線的方向[4].

5.2 電磁感應(yīng)現(xiàn)象的驗證

在外殼底部安裝一個可繞圓心轉(zhuǎn)動的圓盤，將磁磚固定在圓盤上，轉(zhuǎn)動圓盤時可以發(fā)現(xiàn)電流示數(shù)發(fā)生變化.如果將圓盤勻速轉(zhuǎn)動，那么可以用時間來表示圓盤轉(zhuǎn)過的角度.將時間作為x軸，電流作為y軸，則可以在坐標圖中觀察到電流的正弦變化規(guī)律.