安培力定量演示实验

邓兴龙,林明春

(绵竹中学,四川 绵竹 618200)

安培力定量演示实验

邓兴龙,林明春

(绵竹中学,四川 绵竹 618200)

利用铅蓄电池、旋钮式调压器和数字式电流表等器件改进了安培力演示实验，改进后的实验装置能够定量地探究了安培力F与磁感应强度B、电流I、导线长度l及B与I的夹角θ的关系

安培力;定量实验;磁感应强度;电流

高中物理安培力这一节涉及到2个演示实验：定性探究安培力F与电流大小I的关系，定性探究安培力F与导线长度l的关系，2个定性实验的结论笼统，无法精确探究与安培力有关的所有因素，更无法从实验中得出安培力大小的计算公式. 学生只能粗糙地感知与F有关的因素，却不能通过实验实现真正意义上的探究，寻找相关因素探究有关规律得出实验结论最后找到安培力大小计算公式，无法达到探究实验的目的，因此将定性实验加以改进形成完整的定量探究实验设备，辅助教学，并能够通过设计的实验装置，“一站式”完成定量探究F-B，F-I和F-l的正比关系以及F-θ的正弦函数关系，并能够通过实验数据得出安培力大小计算公式，以完成探究实验的目的.

安培力定量演示实验装置如图1所示. 该装置用铅蓄电池代替学生电源，用旋钮式调压器代替滑动变阻器，用数字式电流表代替指针式电流表，读数方便快捷，携带方便.

图1 安培力定量演实验装置

1 定量探究F-I之间的关系

将磁铁受到的安培力的反作用力直接演化为导线圈受到磁场对其竖直方向的安培力. 从而能够通过电子秤将安培力F的大小量化,并通过滑动变阻器以及电流表量化电流I的大小,从而达到定量探究安培力F与电流I的关系. 选定n为60圈的线圈，通过改变I的大小得出数据(如表1所示)，利用Excel的图表功能拟合得到图2. 通过控制变量法以及描点绘图法作出F-I的函数关系图(过原点的直线)，得出安培力F∝I的实验结论.

表1 n=60时，F随I的变化数据

图2 F-I图像

2 定量探究F-l之间的关系

若要定量探究安培力F与导线长度l的关系，就得量化导线长度. 为此通过更换不同线圈匝数的导线圈的形式，达到调节变量l并量化的目的. 采用20，40，60，80，120匝共5组导线圈. 导线圈宽度为3 cm. 因此得到有效长度分别为0.6,1．2,1．8,2．4 m的5组不同长度导线圈，通过更换导线圈的方式改变导线长度，最后绘制F-l函数图像. 选定B=43 T，I=0.8 A,θ=90°，通过改变l的大小得出数据(如表2所示)，利用Excel的图表功能得到了图3. 根据函数图像得出安培力F∝l的函数关系.

表2 B=43 T，I=0.8 A,θ=90°时，F随l的变化数据

图3 F-l图像

3 定量探究F-B函数关系

若要定量探究F-B的关系，首先是量化磁感应强度B的大小，并且能够改变B的大小从而完成定量探究目的，以改变平行磁铁(大面积平行磁铁之间的磁场为匀强磁场)之间的距离的方式，到达改变磁场大小的目的.

改变距离从而改变B的大小，绘制函数图像得出F∝B的结论. 选定n=60圈，I=0.23 A，通过改变B的大小得出实验数据如表3所示，利用Excel的图表拟合得到图4.

表3 n=60圈,I=0.23 A时，F随B的变化数据

图4 F-B图像

由以上3个定量探究实验得出F∝B，F∝I，F∝l从而得出F∝BIl的结论. 由于本实验每个数据都以国际制单位量化，因此本实验数据直接可以得出BIl的乘积在误差范围内等于F的关系式. 从而确定在BI垂直前提条件下安培力大小计算公式F=BIl.

4 定量探究F-θ关系

若要定量探究F-θ的正弦函数关系，需通过旋转匀强磁场，并量化B与I夹角θ. 绘制F-θ函数图像得出F-θ的正弦函数关系. 选定n=40圈，I=0.4 A，通过改变θ的大小得出实验数据(如表4所示)，利用Excel的图表功能得到了图5.

表4 n=40圈,I=0.4 A时，F随B的变化数据

图5 F-θ图像

本实验误差较大，其最大原因是平行磁铁间并非真正的匀强磁场. 当磁场转到一定夹角时，导线圈靠近磁铁，使得磁场偏大从而产生严重误差. 但是依然能识别其正弦函数 图像，得出实验结论F∝sinθ.最终得出安培力大小计算公式F=BIlsinθ.

5 结束语

本文是笔者以安培力定性实验改定量实验的一次尝试，希望能够通过展示安培力实验的改进方法与过程，总结可以复制的改进实验的模式，让更多的高中实验变得生动有趣，让学生可以更多地参与到实验中，并从中得出结论，从而达到实验探究最根本的目的.

[责任编辑：尹冬梅]

QuantitativedemonstrationofAmpereforce

DENG Xing-long, LIN Chun-ming

(Mianzhu Middle School, Mianzhu 618200, China)

Some devices, such as lead battery, knob-type voltage regulator, and digital amperemeter were used in Ampere force demonstration experiment. The improved experimental device could quantitatively explore the relationship between Ampere's forceFand magnetic inductionB, currentI, wire lengthland angleθbetweenBandI.

Ampere force; quantitative experiment; magnetic induction

2017-05-27

邓兴龙(1963-),男,四川绵竹人,绵竹中学高级教师,学士,从事高中物理教学工作.

G633.7

：A

：1005-4642(2017)09-0055-02