自制實驗教具定量探究安培力大小

茍麗娟 唐 林 宋培文

(四川省南充高級中學,四川 南充 637900)

教科版高中物理選修3-1“磁場對通電導線的作用——安培力”一節(jié)中,實驗探究環(huán)節(jié)設(shè)置了如圖1所示的實驗裝置,一通電線圈置于U型磁鐵兩極之間,有電流通過時,通電線圈受到向下的安培力,對線圈受力分析,重力與安培力之和等于彈簧的彈力,故彈力減去重力即為安培力.

圖1 教材原圖

該實驗裝置較簡單,操作較方便,但也有不足之處.第一,由于安培力比較小,彈簧測力計精度不夠,無法準確測量安培力的大小;第二,該裝置調(diào)節(jié)電流大小比較麻煩,也存在精準問題,同時探究安培力與長度的關(guān)系每次實驗需要更換線圈,操作復雜;第三,該裝置無法定量探究安培力與磁場強弱、磁場方向與電流方向夾角的關(guān)系,學生無法理性分析并理解安培力大小計算公式.本文引進力傳感器,數(shù)據(jù)采集器、恒定電源、轉(zhuǎn)盤等儀器自制實驗教具,可以直接定量精準探究安培力與電流、導線長度、磁場強弱、磁場與電流夾角的關(guān)系.

1 實驗教具構(gòu)造及原理

1.1 實驗教具設(shè)計原理及實物圖

1. 電腦顯示器; 2. 傳感器信息采集模塊; 3. 恒流學生電源; 4. 電流輸出接線; 5. 底座; 6. 壓力傳感器; 7. 支架; 8. 磁體放置臺; 9. 長方形強磁鐵; 10. 矩形線圈; 11. 正極接線柱; 12. 負極接線柱; 13. 角度刻度盤; 14. 角度指針; 15. 轉(zhuǎn)軸.

圖2 儀器裝置圖

圖3 儀器裝置實物圖

1.2 實驗教具及原理介紹

① 底座(5)與支架(7)固定保證儀器的穩(wěn)定性.

② 轉(zhuǎn)軸(15)下豎直懸掛粗細合適的矩形線圈(10),可通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸(15)可改變矩形線圈(10)底邊電流的方向.

③ 長方形強磁鐵(9)兩塊,由于面積較大,其中心區(qū)域可看成水平勻強磁場,矩形線圈(10)兩豎直邊受安培力抵消,底邊受到豎直向上的安培力F,則磁體(9)受到等大的豎直向下的安培力反作用力.

④ 長方形磁體(9)與磁體放置臺(8)放置在壓力傳感器(6)上,壓力傳感器(6)受到增大的豎直向下的壓力即安培力大小,通過傳感器信息采集模塊(2)轉(zhuǎn)換信號輸入電腦顯示器(1)軟件.

⑤ 壓力傳感器軟件APP可設(shè)置去皮功能,直接測量顯示安培力大小,但即使在強磁鐵、強電流的環(huán)境下,安培力仍然很小,可以設(shè)置將力放大200倍顯示.

⑥ 恒流電源(3)可按需調(diào)節(jié)輸出需要大小的恒定電流,通過電源輸出接線(4)分別與正接線柱(11)及負接線柱(12)連接使得恒定電流輸入到矩形線圈(10)中.

⑦ 負接線柱(12)總共5組,分別接入不同的線圈匝數(shù):50匝、100匝、150匝、200匝、250匝,接入不同匝數(shù)的線圈表示接入通電導線長度L不同.

⑧ 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸(15),當矩形線圈(10)底邊導線電流與磁場方向相同時,角度指針(14)指向角度刻度盤(13)上0°刻度線上,轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸(15)改變電流方向時,角度指針(14)可直接讀出電流與磁場夾角,探究安培力與角度的關(guān)系.

⑨ 磁體放置臺(8)外側(cè)磁體盒可以增添磁體,增強磁場的強弱,從而實現(xiàn)探究安培力與磁場強弱的關(guān)系.

2 實驗演示過程及數(shù)據(jù)分析

2.1 F-I的關(guān)系

保持線圈匝數(shù)為150匝(導線長度)不變、磁場強弱不變,B⊥I時,力放大200倍.改變電流分別為:0.00 A、0.50 A、1.00 A、1.50 A、2.00 A、2.50 A時測出安培力大小記入表格(表1)并作出圖像如圖4.

得出結(jié)論:其他條件不變時,F與I成正比

表1 F與電流關(guān)系記錄表

圖4 F與I關(guān)系圖

2.2 F-L的關(guān)系

保持電流、磁場不變,B⊥I時,力放大200倍.改變匝數(shù)分別為:50匝、100匝、150匝、200匝、250匝時測出安培大小記入表格(表2)并作出圖像如圖5.

表2 F與長度關(guān)系記錄表

圖5 F與L關(guān)系圖

得出結(jié)論:其他條件不變時,F與L成正比

2.3 F-θ的關(guān)系

保持線圈匝數(shù)150匝(導線長度)不變、電流1.50 A不變、磁場強弱不變,力放大200倍.改變夾角分別為:0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°測出安培大小記入表格(表3)并作出圖像如圖6、圖7所示.

表3 F與夾角關(guān)系記錄表

圖6 F與θ關(guān)系圖

圖7 F與sinθ關(guān)系圖

得出結(jié)論:其他條件不變時,F與θ不成正比,F與sinθ成正比.

2.4 F-磁場強弱的關(guān)系

保持線圈匝數(shù)150匝(導線長度)、電流1.50 A不變,B⊥I時,力放大200倍.不加磁鐵和增加磁鐵分別測量安培力大小記入數(shù)據(jù)表格如表4.

表4 F與磁場強弱的關(guān)系記錄表

得出結(jié)論:其他條件不變時,磁場越強、安培力越大.

2.5 引導學生分析得出結(jié)論:安培力大小計算公式為F=BILsinθ.

3 結(jié)束語

為了更加精確探究安培力與影響因素的關(guān)系,本文引進力傳感器、恒定電源、轉(zhuǎn)盤、線圈、量角器等儀器自制實驗教具,可以直接定量精準地探究安培力與影響因素的關(guān)系,同時也可以用于測定磁感應(yīng)強度大小,幫助學生理解磁感應(yīng)強度概念,在教學中起到了較好的效果.物理是一門極為抽象的實驗學科,學生在改進后的實驗裝置操作過程中學可以提升物理學科科學素養(yǎng),有利于學生的終生發(fā)展.每一個教具創(chuàng)作、設(shè)計過程都是充滿艱辛與不易,在此向所有奮斗在實驗室的研究者致敬.