簡易實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)精確測(cè)定安培力與各變量關(guān)系

胡科杰 戎 杰

(浙江省慈溪中學(xué) 浙江 寧波 315300)

郭 拯

(浙江省慈溪市教研室 浙江 寧波 315300)

新課程標(biāo)準(zhǔn)注重從“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)維度培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).“通電導(dǎo)線在磁場中受到的力——安培力”這節(jié)教學(xué)內(nèi)容能全面地從4個(gè)維度培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，然而教材中演示實(shí)驗(yàn)效果的低效，嚴(yán)重影響了教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn).為此，能否直觀、精確、定量地探究安培力大小與各變量的關(guān)系，直接影響安培力教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)的解決，從而影響學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

1 研究背景與現(xiàn)狀

圖1是教材中演示安培力的實(shí)驗(yàn)裝置圖，該裝置通過測(cè)量懸掛導(dǎo)線的擺角來定量研究安培力的大小，擺角越大安培力越大.通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來改變電流大小，通過改變導(dǎo)線接線柱位置來改變放置在磁場中的導(dǎo)線長度，通過改變磁鐵個(gè)數(shù)來改變磁感應(yīng)強(qiáng)度大小.實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，只能定性研究得到隨著電流的增大、接入導(dǎo)線長度的增加、磁鐵個(gè)數(shù)的增加都能使擺角變大，進(jìn)而說明安培力的增大.

(a)

(b)

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在問題和裝置靈敏度的原因，本裝置是無法實(shí)現(xiàn)精確、定量地探究安培力大小與各變量的關(guān)系，也無法測(cè)量電流與磁場有一定夾角θ時(shí)安培力與夾角θ的關(guān)系.

基于上述原因，許多物理教師做了很多實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，普遍采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖2 教師普遍采用的改進(jìn)設(shè)計(jì)后的實(shí)驗(yàn)裝置圖

利用力傳感器進(jìn)行研究，非常成功地定量研究了安培力與各變量的關(guān)系.對(duì)此類實(shí)驗(yàn)，有兩個(gè)特點(diǎn)：(1)實(shí)驗(yàn)裝備要求較高，學(xué)校必須配備數(shù)字實(shí)驗(yàn)設(shè)備.(2)對(duì)教師自身素養(yǎng)要求較高，需要教師熟練操作數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).

2 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

為解決數(shù)字實(shí)驗(yàn)設(shè)備貴，難操作的問題，筆者借鑒幾位教師的構(gòu)想，設(shè)計(jì)如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置，標(biāo)有角度的白紙置于電子天平上，將多粒紐扣型強(qiáng)磁鐵(可網(wǎng)購)疊加后固定于紙上.線圈固定于鐵架臺(tái)上，置于磁鐵上方，線圈抽頭分別為100，200，400，800匝.電子秤先清零，實(shí)驗(yàn)開始后，電子秤顯示線圈對(duì)磁鐵的作用力，反作用力即為線圈所受安培力.

圖3 筆者設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)探究

3.1 探究安培力F與電流I的關(guān)系

采用2個(gè)紐扣磁鐵疊加垂直線圈放置于電子秤上，線圈匝數(shù)100，即保持B，L，θ不變，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，增大電流，得到F∝I，如圖4所示.

圖4 F-I圖像

3.2 探究安培力F與導(dǎo)線長度L的關(guān)系

線圈匝數(shù)分別為100，200，400，800，線圈邊長0.07 m，即相當(dāng)于接入導(dǎo)線長度分別為7 m，14 m，28 m，56 m.紐扣磁鐵取2個(gè)，電流I=0.16 A，即保持B，I，θ不變，得到F∝L，如圖5所示.

圖5 F-L圖像

3.3 探究安培力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系

取紐扣電池分別為2，4，6，8，10個(gè)，實(shí)驗(yàn)前設(shè)想磁感應(yīng)強(qiáng)度B可能均勻增大，保持I=1 A,L,θ不變時(shí)，設(shè)想實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到F∝B.實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)得，F(xiàn)與磁鐵個(gè)數(shù)的比值逐漸減小，并非隨磁鐵個(gè)數(shù)的增加而均勻增加，猜想原因應(yīng)該是線圈所在位置的B并未與磁鐵個(gè)數(shù)成正比，但由比值變化規(guī)律推測(cè)，在勻強(qiáng)磁場情況下，F(xiàn)應(yīng)與B成正比.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 F-B圖像

3.4 探究安培力F與電流磁場夾角θ的關(guān)系

旋轉(zhuǎn)磁鐵底座，改變電流與磁場夾角θ的大小，同時(shí)保持B，L，I不變，得到F隨θ角的變化情況.如圖7所示，圖線顯示為正弦，由此可以得到F安=ILBsinθ,同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場反向時(shí)，力也改變方向.

圖7 F-θ圖像

4 裝置分析

(1)器材簡單易購，易組裝.

(2)通過改變電流大小、方向，研究安培力與電流關(guān)系，連接不同抽頭實(shí)現(xiàn)改變導(dǎo)線長度，研究安培力與長度的關(guān)系，操作簡單.

(3)通過改變紐扣型磁鐵個(gè)數(shù)，改變磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，研究安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，操作直觀.

(4)通過旋轉(zhuǎn)磁鐵在電子秤上的角度，研究安培力與磁場電流夾角的關(guān)系，操作靈活.

(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確可信，實(shí)現(xiàn)安培力的定量探究.

(6)唯一存在的問題，紐扣型強(qiáng)磁鐵形成非勻強(qiáng)磁場，有一定欠缺.