吳登平 蘇耀杰

(廣東石油化工學(xué)院物理系 廣東 茂名 525000)

教材及教學(xué)中一般通過傳統(tǒng)演示儀器定性探究安培力的大小與導(dǎo)線電流、導(dǎo)線在磁場中的長度的關(guān)系，但由于教材所用傳統(tǒng)儀器的局限，無法探究安培力大小與磁感應(yīng)強度的關(guān)系，也不能對影響安培力大小的3個因素進行定量探究．通過自制的安培力演示儀，不僅可以對影響安培力大小的3個因素的猜想進行定性驗證，而且能夠定量探究安培力大小與磁感應(yīng)強度、電流大小和導(dǎo)線在磁場中的長度的關(guān)系，從而突破了傳統(tǒng)儀器的局限，讓學(xué)生經(jīng)歷從定性到定量的完整的探究過程．

以下從自制可定量測量的安培力演示儀的簡介、實驗原理、操作步驟與使用方法等幾個方面加以展示，還就使用效果、注意事項等做了說明.

1 簡介

安培力演示儀如圖1所示，用以探究勻強磁場中，電流和磁場垂直情況下影響安培力大小的因素及其定量關(guān)系．

圖1 安培力演示儀

1.1 功能

探究影響安培力大小的因素：(1)電流；(2)磁場強弱；(3)導(dǎo)線在磁場中的長度，并能夠研究三者之間的定量關(guān)系．

1.2 特點

(1)定量化測量

儀器使用滑動變阻器和電流表可以改變和測量線圈中的電流，通過增加蹄形磁鐵的個數(shù)可以定量改變導(dǎo)線在磁場中的長度，通過蹄形電磁鐵可以改變磁場的強弱，通過杠桿放大原理放大安培力，從而定量地測量出安培力的大?。虼?，該儀器可以定量地探究安培力大小的計算公式．

(2)簡潔直觀，操作方便

利用強磁場，簡單、直觀地展示出通電直導(dǎo)線在磁場中的受力情況，并且通過滑動變阻器改變線圈和蹄形電磁鐵的電流并在電流表中顯示出來；通過增加蹄形磁鐵的個數(shù)改變導(dǎo)線在磁場中的長度，操作簡單，直觀明顯．

2 實驗原理

本實驗采用控制變量法，定量地改變線圈中的電流大小、磁場強弱和導(dǎo)線在磁場中的長度；利用杠桿放大原理定量地測量安培力的大?。芯堪才嗔εc3個變量之間的定量關(guān)系F=BIL．

線圈通電以后，在磁場中的導(dǎo)線就會受到安培力的作用，線圈就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，安培力越大線圈偏轉(zhuǎn)的角度就會越大，由刻度盤上的刻度就可以讀出安培力的大?。?/p>

本實驗儀器采用以下方法改變電流大小、磁場強弱和導(dǎo)線在磁場中的長度．該儀器由兩個支路所組成(圖2)，右邊的支路是用來控制線圈中的電流的，通過滑動變阻器改變支路上的電阻，從而改變支路上的電流，用電流表可以讀出電流的大??；左邊的支路用來控制蹄形電磁鐵的電流，同樣也是用滑動變阻器改變電路中的電流，用電流表讀出電流的大??；導(dǎo)線的長度則用增加蹄形磁鐵的個數(shù)來改變．

由于安培力是一個微小量，所以本實驗通過使用磁場較強的蹄形磁鐵、增加線圈匝數(shù)(150匝)、增加線圈電流(最大電流可達2.5 A)等方法以及杠桿放大原理，增加安培力的大?。?/p>

本實驗儀器刻度是均勻的．因為，在誤差允許的范圍以內(nèi)，可以認為彈簧拉力的方向垂直向下，所以線圈受到的彈簧的力矩和受到的安培力的力矩相等時，線圈達到平衡．此時

F安Rcosθ=F拉Rcosθ=

其中θ為線圈偏轉(zhuǎn)的角度，κ為彈簧的勁度系數(shù)，r為彈簧的力臂，R為安培力的力臂，L為彈簧拉伸的長度．

圖2 儀器原理圖

從上面的公式就可以得到F∝θ，所以本實驗的刻度是均勻變化的．

3 操作步驟與使用方法

3.1 探究安培力大小與電流的定性及定量關(guān)系

(1)實驗前斷開全部開關(guān)，插上電源，把滑動變阻器調(diào)到阻值最大處．

(2)把兩個蹄形磁鐵橫跨在左邊或者右邊的線圈上．

(3)閉合開關(guān)S1和S2給線圈通電．

(4)通過滑動變阻器R1改變線圈中的電流，觀察指針的偏轉(zhuǎn)情況．

(5)分別記錄電流表A1和安培力的大小，探究安培力大小與電流的定量關(guān)系．

3.2 探究安培力大小與磁場強弱的定性及定量關(guān)系

(1)將線圈中的電流調(diào)至1 A，斷開S1和S2．

(2)將蹄形磁鐵換成蹄形電磁鐵，閉合S1，S2和S3．

(3)改變滑動變阻器R2的阻值，改變蹄形電磁鐵中的電流．觀察指針的偏轉(zhuǎn)情況．

(4)分別記錄電流表A2和安培力的大?。?因為蹄形電磁鐵所產(chǎn)生磁場強弱和通過它的電流呈正比關(guān)系，因此可以用電流表示它磁場的強弱．)

3.3 探究安培力大小與導(dǎo)線在磁場中的長度的定性及定量關(guān)系

(1)斷開S1，S2和S3，把蹄形電磁鐵換成蹄形磁鐵．

(2)閉合S1和S2，讀取和記錄安培力的大?。?/p>

(3)斷開S1和S2，增加一個蹄形磁鐵，再閉合S1和S2．記錄安培力的大小．

(4)斷開S1和S2，增加一個蹄形磁鐵，再閉合S1和S2．記錄安培力的大?。?/p>

以上實驗完成后必須斷開全部開關(guān)，并把滑動變阻器調(diào)到最大值．

4 使用效果

4.1 實驗效果

本實驗儀器可以做到定性和定量相結(jié)合．

定性實驗效果明顯．雖然儀器內(nèi)存在一些阻力，但是對于定性觀察而言，由于實驗現(xiàn)象非常明顯，這些阻力不會影響到實驗結(jié)果，對于中學(xué)課堂的定性探究效果非常好．

由于儀器為手工制作，用于定量實驗時存在著一定的誤差，但是該誤差不大，可以滿足中學(xué)物理課堂實驗的需要．所以儀器能很好地定量探究安培力與3個變量的關(guān)系．

4.2 教學(xué)中的應(yīng)用

(1)本裝置采用大尺寸制作，可作為教師的課堂演示儀器使用．利用本裝置可使學(xué)生牢固掌握安培力的測量方法，影響安培力的因素等．并且還可以在探究的過程中提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)掘?qū)W生的獨立探究能力．除此之外，還能從實驗思想、實驗方法上給予學(xué)生啟迪．

(2)本裝置也可作為學(xué)生分組實驗儀器，通過學(xué)生的分組實驗，培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力、協(xié)同合作能力和團隊精神．

5 拓展功能

該儀器可以在接線柱處設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)，從而可以改變電流的流向，和改變磁場的方向，探究安培力的方向和驗證左手定則．

6 技術(shù)指標(biāo)

本實驗裝置尺寸為，底座32 cm×32 cm；垂直面板32 cm×64 cm；刻度盤32 cm×32 cm；線圈匝數(shù)150匝；支架高度6 cm；電源適配器24 V,4 A；電流表最大量程為3 A；滑動變阻器最大阻值為50 Ω，最大可通過電流為2 A．

7 注意事項

(1)開始實驗前要把指針調(diào)到刻度盤的中央．

(2)實驗過程中電流比較大，不宜長時間通電．

(3)在取放磁體時要輕拿輕放，以免損壞磁體．

(4)由于該磁鐵是強磁鐵，因此在實驗的過程中不要將手表、手機等靠近磁鐵．