微小安培力演示仪的设计与制作

摘要：安培力是中学物理教学中的重要内容，在课堂教学中广泛使用安培力演示仪来演示安培力，并验证左手定则.但现有的安培力演示仪原理不易理解、操作不太方便，测得的安培力是多匝线圈上总的安培力.本文介绍一种安培力演示仪，主要通过测量单根铜棒上微小的安培力来验证左手定则，以及验证安培力的定量关系 该演示仪器可以测量微弱安培力，而且原理简单、成本低廉、演示效果好.

关键词：微小安培力；演示仪；设计与制作

作者简介：黄佳丽（1989-），女，浙江兰溪人，学士学位，中学二级教师，从事物理学科教学.

如图1所示，传统的安培力演示仪能演示安培力的左手定则，还能定量地验证安培力公式.但是在使用过程中有如下几个问题：一是定量验证时，指针偏转的角度正比于安培力的大小，在原理上不易解释；二是该装置只能演示多匝线圈上受到的安培力的合力，与教材中单根通电导线上的安培力不符.三是操作不方便.为了解决上述问题，笔者通过传统的杆秤方式，利用力矩平衡的原理，称量出微小安培力，以达到教学目的.

1仪器结构及原理

图2为仪器的简易原理图（为了图片的简洁，省略了若干导线），图3为实物图.本实验是利用类似于杆秤的方法，通过力矩平衡，将单根导线上微小的安培力放大测得.由电源、导线、磁铁、导体棒、滑动变阻器、电流表、双刀双掷开关等组成闭合回路.其中导体棒处在水平方向的磁场中，当导体棒通电后，会受到竖直方向的安培力.移动“秤砣”，将此时的安培力“称量”出来.

演示前先将秤砣移动至中间零刻度的位置，然后调节装置右边的螺帽，使装置平衡.闭合开关，回路通电，处于磁场中的单根铜棒将受到安培力的作用.移动秤砣，使装置平衡，读出此时秤砣所在的刻度.

2仪器的演示方法

21验证左手定则

在第一次测量的基础上，转动双刀双掷开关，改变导体上电流的方向，反向移动秤砣再次调节平衡，可以发现两次实验刻度值是相等的，证明安培力的方向與电流的方向有关；转动磁场180°（图4），改变磁感应强度的方向，同理可证明安培力的方向与磁感应强度的方向有关.从而验证安培力的左手定则.

22定量分析安培力的大小

控制导体棒的长度L、磁感应强度B不变，改变电流I的大小，测得秤砣上对应的刻度，可以证明F安证比于I.

控制磁感应强度B、电流I不变，改变导体棒上的长度，测得秤砣上对应的刻度，可以证明F安正比于L （改变导体棒的长度是利用如图5所示的装置，但只有两个长度，如果多做几个控制质量相同，是可以实现测量多组数据的）.

控制磁感应强度B、电流I、导体棒长度L不变，转动磁场，使得导体棒与磁场之间有一定的夹角，夹角可以直接从转盘上获得.通过查阅数学工具，得到对应夹角的余弦值cosθ ，即可证明F安∞cosθ

3仪器的细节处理

为了便于探究影响安培力方向和大小的因素，从细节方面做了如下改进：（1）在指针上装了一个重物，使装置能较快稳定（图6）；（2）为了调节平衡，在杆秤的右端安装多个螺帽（图7）；（3）利用双刀双掷开关， 改变金属棒上的电流方向； （4）为了提高灵敏度，将刀口用锉刀锉尖（图8）.

4小结

本实验装置具有灵敏度高的优点.表1为一组实验数据.控制磁感应强度B、导体棒的长度L不变，改变电流的大小.

由表1可以发现，在误差允许的范围内，实验能够证明F安正比于I.而且通过传感器测得B=18×10-3T，L=013m，将导体棒垂直放置于磁场中，即使安培力非常微弱也可以明显显示变化.该仪器不仅可以用于安培定律演示，还可以用于左手定则验证，而且原理简单.此装置的原理类似于利用杆秤称量物体的质量，便于学生理解，成本低.本装置的所有材料均源自废旧物品，通过改造组成.