安培力方向判斷演示實驗的改進

翁曉隆

（浙江師范大學附屬中學，浙江 金華）

人教版3-1《磁場》章節(jié)中《通電導線在磁場中受到的力》這節(jié)課的教學，重點是探究安培力的方向與哪些因素有關(guān)，在教學中往往要進行學生分組探究實驗。其中關(guān)于安培力方向的判斷，在目前的教學中常見的方法有兩種：

（1）利用懸掛的導體棒的初始運動方向來判斷安培力的方向，如圖1所示。

圖1

探究結(jié)論：導體棒的初始運動方向為導體棒通電后受安培力的方向。

（2）利用導軌上導體棒的初始運動方向來判斷安培力的方向，如圖2所示。

圖2

探究結(jié)論：導體棒的初始運動方向為導體棒通電后受安培力的方向。

以上兩種方法在現(xiàn)象判斷和結(jié)論分析方面存在著一定問題，假如安培力的方向在如圖3中所示中的F1和F3兩種情況下，都可以使導體棒向右運動，因此排除掉F1和F3的可能性，最終確定水平方向F2是安培力的唯一方向，教師在學生進行探究實驗前必須要明確指導學生，否則不利于培養(yǎng)學生嚴謹?shù)乃季S。

圖3

演示實驗改進方案一：改變磁鐵擺放的方向，看安培力引起的效果

通過本人在教學過程中的摸索和實驗，摸索出三個演示實驗的改進方案。

設(shè)計原理：

在如圖1所示裝置中，通電后導體棒向右運動，導體棒可能受到如圖3所示的F1、F2或F3三種可能情況。若將蹄形磁鐵豎直放置，磁場水平方向。若導體棒通電后受到如圖3所示的F1時，當磁鐵豎直放置時，導體棒受到如圖4所示F1作用，在水平分力作用下向右運動；若導體棒通電后受到如圖3所示的F3時，當磁鐵豎直放置時，導體棒受到如圖4所示F3作用，在水平分力作用下向左運動；若導體棒通電后受到如圖3所示的F2時，當磁鐵豎直放置時，導體棒受到如圖4所示F2作用，豎直方向運動。

圖4

演示實驗裝置：

圖5為改進后的實驗裝置。該實驗改進裝置是在懸掛金屬棒的兩導線上增加兩個勁度系數(shù)較小的彈簧，金屬棒用空心鋁棒或用錫箔卷在水筆筆芯上，將細銅絲（去除絕緣漆）焊接在空心鋁棒兩端后固定在兩彈簧上，然后再繞過彈簧連接到接線柱上（防止因為彈簧在通電后收縮而影響實驗的準確性）。將蹄形磁鐵豎直放置。

圖5

演示實驗操作和實驗現(xiàn)象：

將裝置接入電路中，電源選用4節(jié)干電池，讓蹄形磁鐵水平放置，即磁場方向是豎直方向，當通電后金屬棒擺動（如圖1所示向右擺動），則金屬棒受力的方向可能是如圖3所示的F1、F2或F3三種可能情況。再將蹄形磁鐵豎直放置，如圖5所示，即磁場方向是水平方向，反復接通和斷開開關(guān)，發(fā)現(xiàn)金屬棒只上下振動而不左右擺動。據(jù)此判斷安培力方向是在豎直方向上，從而證明了前一次安培力的方向為水平方向的F2唯一確定性。為了讓現(xiàn)象更明顯，該實驗沒有使用保護電阻而采取直接將導體棒接入電源兩端的方法，因此每次實驗接通開關(guān)后應(yīng)馬上斷開，以防電源過載。

演示實驗改進方案二：利用錫箔絲受安培力發(fā)生形變的方向來判斷安培力方向

設(shè)計原理：

將導體棒換成質(zhì)量很輕、比較柔軟的錫箔絲，穿在兩金屬支架上，并安放在蹄形磁鐵中間，通電后錫箔絲在安培力的作用下運動并發(fā)生形變，通過錫箔絲的形變方向就可以判斷出安培力的方向。

演示實驗裝置：

將錫箔紙剪成寬2 mm左右，長10 cm左右的細絲并拉直。將兩金屬桿固定在木板上，一端制成很小的口字型金屬套，將錫箔絲穿進兩金屬套中，保證錫箔絲和金屬套接觸良好，且錫箔絲可以在金屬套中前后移動，錫箔絲拉直并與磁場垂直。金屬桿靠木板端夾上導線，如圖6所示。

圖6

演示實驗操作和實驗現(xiàn)象：

將裝置接入電路，電源為4節(jié)干電池，讓蹄形磁鐵磁場方向豎直。錫箔絲拉直水平放置，忽略重力作用，閉合電鍵，錫箔絲在較強的安培力作用下，水平方向運動，由于錫箔絲可以在金屬套中前后移動，錫箔絲發(fā)生彎曲，且彎曲方向朝水平方向。多次轉(zhuǎn)動蹄形磁鐵，改變磁場方向，錫箔絲的彎曲方向始終與磁場方向垂直，證明了圖3安培力的方向為水平方向的唯一確定性。該實驗沒有使用保護電阻，因此每次實驗接通開關(guān)后應(yīng)馬上斷開。

演示實驗改進方案三：用力傳感器測力的豎直分量

設(shè)計原理：

如果安培力的方向不是沿圖3中F2的水平方向，那么該力會產(chǎn)生豎直方向的分力，如圖7所示，若能夠判斷出安培力的豎直分力是否存在，就可以解決安培力是否水平的問題。

圖7

演示實驗裝置：

豎直方向的力我們用DIS力傳感器來測量（力傳感器的示數(shù)可以顯示到0.001 N），在有機玻璃板平臺上固定兩根粗銅絲作為導軌，將一錫箔紙卷成的導體棒（多卷幾層，邊緣用金屬膠粘?。┐怪睂к壦椒胖?。兩導軌各連接一金屬導線通過支架一起固定到力傳感器上，如圖8所示。將該裝置放入豎直方向的磁場中，該磁場由兩塊較大的平行放置的永久磁鐵產(chǎn)生，可近似看做勻強磁場，導軌平面水平，如圖9所示。

圖8

圖9

演示實驗操作和實驗現(xiàn)象：

將力傳感器、數(shù)據(jù)采集器與計算機連接，點擊DISLab通用軟件，計算機界面上顯示力傳感器的數(shù)值。接通電源前，力傳感器顯示的是整個支架受到的重力，為了能更好地觀察通電后力傳感器測量的力情況，點擊界面上調(diào)零按鈕，先將力傳感器測量數(shù)據(jù)調(diào)零，如果導體棒通電后受安培力為圖7中的F1則力傳感器顯示負值。如果受安培力為圖7中的F3則力傳感器顯示正值。接下來閉合電鍵通電，觀察導體棒的運動情況和屏幕上力傳感器顯示的數(shù)據(jù)。實驗現(xiàn)象是通電后導體棒在安培力作用下快速做水平運動，同時力傳感器顯示的示數(shù)幾乎一直為零，證明了安培力的方向為水平方向的F2唯一確定性。

前兩個方案是定性演示實驗，第三個方案是定量演示實驗。在2016年舉行的浙江省中學物理課堂教學大賽上，我在《通電導線在磁場中受到的力》一課上，運用了上述演示實驗，得到評委高度肯定，獲得了一等獎第一名的好成績。