安培力微小放大演示仪

胡安正 赵显伟

摘要：安培力是物理学中十分重要的一个知识点。然而目前很少见到较为理想的安培力演示装置。巧妙利用光杠杆的微小放大作用，将微小安培力进行放大而研制出的安培力微小放大演示仪，是一款极具新颖性、创新性和探索性实验装置。

关键词：安培力；磁感强度；光杠杆作用；微小放大

1设计思想

安培力在物理学中有十分重要的应用，但是，实际上实验室中所产生的安培力往往较小，很难被观察到。经探究发现，若应用微小放大的原理，可以将微小的安培力的被明显地观察到。于是利用光的杠杆放大原理设计研制出这款安培力微小放大演示仪，演示效果明显。另外，由公式F=BILsinθ不难看出，影响安培力F大小的因素有磁感强度、通电电流、导体长度和磁场与通电电流之间的角度，实践中，改变通电电流的大小比较容易实现。

2实验原理

(1)安培力的产生原理：电流是导线中自由电子在电场的作用下定向运动形成的。由物理原理可知宏观量电流，与相应微观量的关系为I=△AQ/A△t=envS，每个电子所受到的洛仑兹力f=evB，所以，导线dl段受到的安培力就是其中各自由电子定向运动所受洛仑兹力之和，其中包含的自由电子的总数为nSA2，所以这段导线最终受到的力为F=nSdl·f=nSAlevB=B△l(enSv)=B△lI。这正符合安培力：F=BILsinθ的计算公式。

(2)光杠杆微小放大原理：如图2所示，当置于栋梁上的平面镜旋转θ角时，来自于激光笔的入射光与被平面镜反射后的反射光之间的夹角增大为2θ。由于光程较大，这个微小的2θ，投射在刻度尺上后被放大很多倍，从而使微小的偏转被显著放大，这便是光杠杆微小放大原理。

3实验仪制作与结构图

结构示意图如图2所示，主要包括：①刻度尺，②激光笔，③平面镜，④横梁，⑤导体棒，⑥U型磁铁，⑦底座，⑧电源，⑨滑动变阻器，⑩导线。

实验仪制作：如图2所示，将U型磁铁倒立并使其U形面与刻度尺和平面镜组成的平面平行放置于底座的平板上，将其固定。让导体棒垂直于磁铁的U型面而置于U形槽中，平面镜垂直镶嵌在横梁上，在导体棒两端用导线分别连接滑动变阻器、电源，形成回路。

4演示实验操作及实验现象的成因分析

①调节横梁后面的配重物，使支柱上横梁处于水平状态；

②连接好电路装置，接通电源给整个装置通电，在接通的瞬间，可观察到导体棒中产生安培力使横梁转动，从而使平面镜发生倾斜，导致激光笔发出的光被“运动”后的平面镜反射，反射光线与入射光线形成较大的夹角2θ，并且在刻度尺上得到较大的激光点位置改变。

5功能特点及效果分析

(1)本实验仪巧妙利用光杠杆所产生的微小放大作用，将微小安培力显著的呈现出来，将抽象的物理原理具体化、形象化，便于人们理解。

②本实验仪可调控性强，由安培力公式F=BILsinθ可知，既可通过调控电源和电阻的大小来改变导体棒中的电流，的大小，也可通过调控导体棒与U形磁铁间的夹角来改变sinθ大小，从而改变安培力的大小，实验现象显著、直观。

③集“力、电、光”等知识于一身，知识含量丰富，探究性和挑战性强，能很好地激发同学们探索科学的兴趣，是一种很好的“综合性、探索性、创新性”演示实验装置。