利用DISLab探究安培力的影响因素

(聊城大学，山东 聊城 252000)

·实验研究·

利用DISLab探究安培力的影响因素

裴超杨效华

(聊城大学，山东 聊城 252000)

笔者针对传统演示实验的不足，采用DISLab对其进行改进。本文以“探究影响通电导线受力的因素”的演示实验为例，简要介绍了DISLab的实验仪器、原理和过程。

DISLab；安培力；影响因素

1 教材演示实验分析

教材中“探究安培力方向”的演示实验的主要内容是交换磁极的位置和改变电流的方向，以此观察导线受力方向是否改变。但是在实验过程中我们发现，该实验的现象并不是很明显。主要原因是实验室的蹄形磁铁磁性太弱，当我们改变磁极位置或者电流方向时导线摆角太小，不易于学生发现问题。再者，通电导线在摆动过程中，导线所在处磁场也会发生改变。

在“探究影响通电导线受力的因素”的演示实验中，该实验的主要内容是将三块相同的蹄形磁铁并列放置，将一根直导线水平悬挂在磁铁两极间，导线的方向与磁感应强度的方向垂直[1]。随后采用控制变量法，分别改变导线在磁场中的长度和电流的大小，观察导线前后摆角的变化，通过实验，我们发现了一些不足：首先，导线前后的摆角变化不大，作为演示实验，学生不易发现力的大小变化。其次，虽然U形磁铁间可近似看成匀强磁场，而实际上U形磁铁空间狭小，必须考虑边缘效应[2]。针对传统实验的缺点，我们决定采用DISLab实验来解决问题。

2 DISLab实验

图1

2.1 实验装置

(1) 磁场部分：如图1所示，将两块磁铁正对放置。

(2) 线路及通电导线部分：如图2所示为漆包线绕成的方形线圈，我们分别接出100匝、200匝和300匝的工作线圈，通过连接电路选择不同匝数作为在磁场中的通电导线段。且匝数越多，在磁场中的有效导线越长。

图3是研究电流大小或导线长度对安培力影响的实验线路图，图4为研究磁场强度或磁通量对安培力影响的实验线路图，实验中均采用12V的学生电源。

图3

图4

2.2 实验过程

2.2.1 探究“电流大小或导线长度对安培力的影响”

(1) 实验步骤

先选择100匝的线圈进行安培力的测量，点击开始按钮后顺时针旋转旋钮，此时会得到一系列点。点击选择分析区域，选择y=ax+b的形式,便得到一条直线。

分别接入200匝和300匝线圈。重复以上步骤，得到如图5所示的实验图像。

图5

(2) 图像分析

首先选定同一电流,比较长度不同时导线所受安培力的大小。例如选定电流为0.5A，所对应的安培力大小分别为0.32N、0.16N、0.09N，从数据上我们可以看出，安培力大小与导线在磁场中的有效长度成正比。

采用同样的方法，在同一图像中观察安培力大小与电流大小的关系，两者也成正比。

2.2.2 探究“磁感应强度对安培力的影响”

(1) 实验步骤

按图4进行电路的连接，之后按上述步骤进行准备，将x轴名称改为时间。

将线圈放在磁场中心处，点击“开始”，改变电流至最大，得到如图6所示图像。

图6

依次向上移动线圈，以逐次减小磁感应强度大小，得到另外3组图像，将4组图像显示在同一个坐标轴上面。

(2) 图像分析

由图像可知，线圈越往上提，其所受的安培力就越小。所以，安培力的大小与磁感应强度的大小成正比。

2.2.3 探究“磁场强度与导线间夹角大小对安培力的影响”

(1) 实验步骤

准备阶段：按图4进行电路的连接。

进行实验：将线圈与磁场强度方向成90度角放置，点击开始，旋转电流旋钮至最大后得到最终稳定图像。

依次改变夹角分别为60度、0度，重复上述步骤后，在同一坐标轴上得到3组图像(如图7)。

图7

(2) 图像分析

由图像可知，夹角为90度时，安培力最大。夹角为0度，即线圈与磁场强度平行时，所受安培力为0N。

3 结语

我们采用平行磁场，将线圈放在磁场的中心处，由于线圈偏转角度不大，这就解决了传统实验中由于通电导线在摆动过程中，导线所在处磁场易发生改变的缺点。在“探究影响通电导线受力因素”的DISLab实验中，我们同样将不易观察的实验现象转化为图像，并且解决了边缘效应问题。

DISLab实验具有实验过程“可视化”、实验设计“重点化”、数据采集和处理“智能化”、教学过程“现代化”等特点[3]，可以将图像或者数据展现在电脑屏幕上，解决了传统演示实验不易观察的缺点，还可以培养学生分析数据、图像的能力。

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书 物理3-1[M].人民教育出版社，2011:83.

[2] 陈艳.定量探究安培力大小实验的改进[J].教学实验与仪器，2015,(9).

[3] 朱国强,陈义兵.应用DISLab探究安培力大小的相关因素[J].物理通报，2011，(9).