電子式安培力定量探究儀

韋子洵

一、發(fā)現(xiàn)問題

我發(fā)現(xiàn)，物理課本對安培力的學(xué)習是定量的要求，有公式F=ILB的呈現(xiàn)，但對安培力影響因素的探究卻是定性的。課本和學(xué)校實驗室提供的探究裝置只能做定性探究，不能做定量探究。同時，我注意到安培力測量精確度要求高，現(xiàn)有儀器很難做到?，F(xiàn)在，我設(shè)計發(fā)明了一個電子安培力定量探究儀，既能定量探究安培力的影響因素，又能驗證安培力的數(shù)學(xué)表達式和左手定則。

二、儀器構(gòu)造

原理如圖1所示，實物結(jié)構(gòu)見圖2，還有電池盒、滑動變阻器、電源插座板、線圈插座板和香蕉插頭，見圖3。

三、設(shè)計思路

1.安培力的測量與方向判斷

由于安培力測量值很小，在10—3N數(shù)量級，為能滿足定量探究的需要，我用精度為0.01g的電子秤，轉(zhuǎn)化為測力計，其精度為0.000 1N。我還用示數(shù)的正與負判斷安培力的方向，示數(shù)為正安培力向下，示數(shù)為負安培力向上。

2.電流大小的測量及其改變

用精度為0.01A的數(shù)顯電流表測電流，改變接入電路的電池節(jié)數(shù)，可獲得1.5 V，3 V，4.5 V和6 V這4組不同的電壓，方便地改變4次電流。香蕉插頭用來外接線圈與電池兩個插座板中的插孔，方便地改變電壓和線圈匝數(shù)。

3.導(dǎo)線長度的測量及其改變

自制帶有抽頭的矩形線圈作通電導(dǎo)線。其在磁場中的長度為矩形長邊L0與其匝數(shù)n的乘積。5個抽頭可獲得100匝、150匝、200匝和250匝這4組不同的匝數(shù)，通電導(dǎo)線在磁場中可方便地獲得8 m，12 m，16 m和20 m這4個不同的有效長度。

4.勻強磁場的獲取及其改變

用兩個長釹鐵硼強磁鐵代替。既可獲得10 cm寬的勻強磁場，又能方便地通過改變磁鐵間的距離來改變磁感應(yīng)強度。前后兩個強磁鐵，能在左右兩個導(dǎo)軌上前后移動，左右兩根長度相同的隔木條能將前后兩個強磁鐵隔開一定的距離，隔木條的長度加上強磁鐵的厚度就是磁極間的距離，如圖4所示。磁極間的距離L可調(diào)節(jié)為4 cm，5 cm，6 cm和8cm這4個數(shù)值。

5.電流與磁場間夾角的測量及其改變

量角器測量電流與磁場間的夾角，角度盤固定在矩形線圈的上表面，其90°位置始終與通電導(dǎo)線的位置一致，并與線圈共繞固定在電子秤盤上的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。固定在儀器支架上的指針能指向量角器旋轉(zhuǎn)后的刻度，并通過與指針固定在一起的放大鏡直接清晰地顯示出電流與磁場間的夾角θ。

四、安裝調(diào)試

將上述器材安裝在儀器架上，并按圖1所示電路圖連成電路，進行調(diào)試。由于只在改變線圈匝數(shù)時才需要調(diào)節(jié)滑動變阻器，所以，為減小儀器的體積，滑動變阻器設(shè)置為臨時外部連接。

將香蕉插頭的兩個抽頭分別插入電源插座板“6 V”和線圈插座板“250匝”的插孔中，電流表和電子秤分別顯示出通電線圈中的電流和安培力的大小，表示電路已正常工作。分別將香蕉插頭抽入兩個插座板的不同插孔或移動強磁鐵，改變磁鐵間的距離或轉(zhuǎn)動線圈架，電子秤的示數(shù)都能發(fā)生變化，表示調(diào)試成功，可以應(yīng)用。endprint