自制便攜一體式安培力大小定量研究裝置

李 靜

(天津外國(guó)語(yǔ)大學(xué)附屬外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 天津 300230)

物理是一門以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑.然而，許多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，由于裝置和實(shí)驗(yàn)方法的欠缺，使得對(duì)一些物理問(wèn)題的定量研究變得困難.如何進(jìn)一步開發(fā)和利用常見的儀器，優(yōu)化和完善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)值得教師深入研究[1].本文以“安培力大小的定量研究”這一課為例，闡述如何利用實(shí)驗(yàn)室的資源對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和完善.

人教版教材《物理·選修3-1》第三章中，對(duì)于安培力大小的研究給出了一個(gè)定性實(shí)驗(yàn)[2]：將3塊相同的蹄形磁鐵并排放在桌面上，一根直導(dǎo)線水平懸掛在磁極之間，導(dǎo)線方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直.當(dāng)導(dǎo)線中通有電流時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線擺動(dòng)一個(gè)角度，通過(guò)擺角大小可以定性比較安培力的大小.而在這個(gè)定性實(shí)驗(yàn)之后直接給出了定量的結(jié)論，即通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)F=BIL.定性實(shí)驗(yàn)與定量結(jié)論之間的認(rèn)知差距，為學(xué)生留下了思考和進(jìn)一步探究的空間.此外，若導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向不垂直，而是成一定角度，安培力大小又會(huì)如何變化，教材對(duì)此并未進(jìn)行深入討論.基于上述原因，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的常見儀器進(jìn)行開發(fā)和再利用，對(duì)傳統(tǒng)安培力大小的探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和完善，設(shè)計(jì)并制作了安培力大小定量研究裝置.

1 實(shí)驗(yàn)器材

如圖1(a)所示，自制的安培力大小定量研究裝置由磁鐵、磁鐵支架、導(dǎo)軌、電子秤、角度盤、3個(gè)150匝8 cm×18 cm線圈(每個(gè)線圈在磁場(chǎng)中有效長(zhǎng)度為12 m)、線圈支架、線圈電流控制電路構(gòu)成.其中線圈電流控制電路由電池、可變電阻、數(shù)顯電流表、開關(guān)、導(dǎo)線組成，放置于白色容器內(nèi).其電路的內(nèi)部構(gòu)造和電路圖如圖1(b),(c)所示，通過(guò)開關(guān)1和開關(guān)2的通斷，可控制接入電路的線圈個(gè)數(shù).

圖1 裝置構(gòu)造原理圖

2 實(shí)驗(yàn)原理

通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中會(huì)受到安培力的作用，根據(jù)左手定則可知，安培力方向垂直于磁場(chǎng)方向與電流方向所確定的平面.為了利用電子秤測(cè)量安培力的大小，需使安培力的方向沿豎直方向，通過(guò)電子秤顯示的質(zhì)量變化可計(jì)算得到導(dǎo)線所受安培力大小.

3 實(shí)驗(yàn)方法

影響安培力大小的因素較多，包括磁感應(yīng)強(qiáng)度B，電流I，導(dǎo)線長(zhǎng)度L以及電流與磁場(chǎng)夾角θ.在傳統(tǒng)安培力研究實(shí)驗(yàn)中，少有實(shí)驗(yàn)裝置能簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)所有變量的定量研究[3,4].本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)頂端的導(dǎo)軌，可改變兩磁極之間磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，其數(shù)值可利用傳感器進(jìn)行標(biāo)定；調(diào)節(jié)可變電阻，可改變通過(guò)線圈的電流I，其數(shù)值可由電流表讀出；轉(zhuǎn)動(dòng)電子秤上的轉(zhuǎn)盤，可實(shí)現(xiàn)電流與磁場(chǎng)夾角θ的調(diào)節(jié)，其角度值可通過(guò)角度盤讀出；通過(guò)兩個(gè)控制開關(guān)的通斷，可調(diào)節(jié)3個(gè)并聯(lián)線圈的接入個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線長(zhǎng)度L的調(diào)節(jié).因此該實(shí)驗(yàn)裝置能簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)所有變量的定量研究.

3.1 只改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B

將線圈電流控制電路與線圈整體固定并置于電子秤上，使線圈上邊框置于磁鐵兩磁極之間的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域.打開電子秤，此時(shí)顯示屏?xí)@示其上所放置線圈的質(zhì)量，將其歸零.按下總開關(guān)，接通控制電路電源，由于通電線圈受到安培力作用，會(huì)使電子秤所受壓力發(fā)生變化，通過(guò)電子秤示數(shù)可以計(jì)算出安培力的大小.如圖2(a)～(c)所示，依次改變兩磁極之間的距離，分別記錄不同距離下電子秤的示數(shù)，利用傳感器對(duì)不同距離下的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定，從而可得到安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系.如圖2(d)、(e)所示，將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理可得：安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比.

圖2 安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系的研究

3.2 只改變電流I

如圖3(a)～(c)所示，保持兩磁極之間的距離不變，通過(guò)調(diào)節(jié)線圈電流控制電路中的可變電阻，改變流過(guò)線圈的電流，依次記錄不同電流下電子秤的示數(shù)，并計(jì)算安培力的大小.如圖3(d)、(e)所示，將數(shù)據(jù)輸入到表格當(dāng)中，繪制圖像并進(jìn)行擬合可知：安培力大小與導(dǎo)線中的電流成正比.

圖3 安培力大小與電流關(guān)系的研究

3.3 只改變導(dǎo)線長(zhǎng)度L

如圖4(a)、(b)所示，按下總開關(guān)，保持開關(guān)1和2處于斷開狀態(tài)，此時(shí)電路中連入一個(gè)線圈，其有效長(zhǎng)度為12 m；再按下開關(guān)1，有兩個(gè)線圈連入電路，其有效長(zhǎng)度為24 m；再按下開關(guān)2，有3個(gè)線圈連入電路，其有效長(zhǎng)度為36 m.通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻，使得3種情況下電路中的電流保持不變，并記錄電子秤示數(shù).實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，保持其余條件不變的情況下，導(dǎo)線長(zhǎng)度為12 m時(shí)，計(jì)算得到安培力大小為0.013 4 N，導(dǎo)線長(zhǎng)度為24 m時(shí)，安培力大小為0.027 N，導(dǎo)線長(zhǎng)度為36 m時(shí)，安培力大小為0.044 2 N，滿足1∶2∶3的關(guān)系.將得到的數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖4(c)所示，可得安培力大小與導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度成正比.

圖4 安培力大小與導(dǎo)線長(zhǎng)度關(guān)系的研究

3.4 只改變夾角θ

如圖5(a)～(d)所示，轉(zhuǎn)動(dòng)電子秤上的轉(zhuǎn)盤，改變線圈電流與磁場(chǎng)夾角，記錄不同夾角下電子秤的示數(shù)并計(jì)算安培力.如圖5(e)、(f)所示，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理可得：安培力大小與夾角的正弦值成正比.此處也可讓學(xué)生繪制F-sinθ圖像，體會(huì)一次函數(shù)在實(shí)驗(yàn)中的重要作用.

圖5 安培力大小與角度關(guān)系的研究

綜上所述，安培力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B，電流I，導(dǎo)線長(zhǎng)度L以及電流與磁場(chǎng)夾角θ的正弦值成正比，得出其表達(dá)式為

F=BILsinθ

4 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)采用自制的安培力大小定量研究裝置實(shí)現(xiàn)了安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度B，電流I，導(dǎo)線長(zhǎng)度L以及電流與磁場(chǎng)夾角θ的定量關(guān)系的探究.實(shí)驗(yàn)中所采用的儀器均為實(shí)驗(yàn)室中的常見儀器，操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一目了然，所得數(shù)據(jù)正比關(guān)系明顯，誤差較小，有利于學(xué)生理解安培力大小的影響因素.且本實(shí)驗(yàn)有效地避免了外置導(dǎo)線對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)了線圈的自由移動(dòng).此外，本實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)潔，無(wú)需任何外置電源，便于攜帶.

基于本實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)，通過(guò)對(duì)比分析傳統(tǒng)定性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新定量實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生思考并提出改進(jìn)方案，動(dòng)手實(shí)踐自主探究，有利于學(xué)生完成物理思維的構(gòu)建和核心素養(yǎng)的養(yǎng)成.