电子式安培力定量探究仪

韦子洵

一、发现问题

我发现，物理课本对安培力的学习是定量的要求，有公式F=ILB的呈现，但对安培力影响因素的探究却是定性的。课本和学校实验室提供的探究装置只能做定性探究，不能做定量探究。同时，我注意到安培力测量精确度要求高，现有仪器很难做到。现在，我设计发明了一个电子安培力定量探究仪，既能定量探究安培力的影响因素，又能验证安培力的数学表达式和左手定则。

二、仪器构造

原理如图1所示，实物结构见图2，还有电池盒、滑动变阻器、电源插座板、线圈插座板和香蕉插头，见图3。

三、设计思路

1.安培力的测量与方向判断

由于安培力测量值很小，在10—3N数量级，为能满足定量探究的需要，我用精度为0.01g的电子秤，转化为测力计，其精度为0.000 1N。我还用示数的正与负判断安培力的方向，示数为正安培力向下，示数为负安培力向上。

2.电流大小的测量及其改变

用精度为0.01A的数显电流表测电流，改变接入电路的电池节数，可获得1.5 V，3 V，4.5 V和6 V这4组不同的电压，方便地改变4次电流。香蕉插头用来外接线圈与电池两个插座板中的插孔，方便地改变电压和线圈匝数。

3.导线长度的测量及其改变

自制带有抽头的矩形线圈作通电导线。其在磁场中的长度为矩形长边L0与其匝数n的乘积。5个抽头可获得100匝、150匝、200匝和250匝这4组不同的匝数，通电导线在磁场中可方便地获得8 m，12 m，16 m和20 m这4个不同的有效长度。

4.匀强磁场的获取及其改变

用兩个长钕铁硼强磁铁代替。既可获得10 cm宽的匀强磁场，又能方便地通过改变磁铁间的距离来改变磁感应强度。前后两个强磁铁，能在左右两个导轨上前后移动，左右两根长度相同的隔木条能将前后两个强磁铁隔开一定的距离，隔木条的长度加上强磁铁的厚度就是磁极间的距离，如图4所示。磁极间的距离L可调节为4 cm，5 cm，6 cm和8cm这4个数值。

5.电流与磁场间夹角的测量及其改变

量角器测量电流与磁场间的夹角，角度盘固定在矩形线圈的上表面，其90°位置始终与通电导线的位置一致，并与线圈共绕固定在电子秤盘上的转轴旋转。固定在仪器支架上的指针能指向量角器旋转后的刻度，并通过与指针固定在一起的放大镜直接清晰地显示出电流与磁场间的夹角θ。

四、安装调试

将上述器材安装在仪器架上，并按图1所示电路图连成电路，进行调试。由于只在改变线圈匝数时才需要调节滑动变阻器，所以，为减小仪器的体积，滑动变阻器设置为临时外部连接。

将香蕉插头的两个抽头分别插入电源插座板“6 V”和线圈插座板“250匝”的插孔中，电流表和电子秤分别显示出通电线圈中的电流和安培力的大小，表示电路已正常工作。分别将香蕉插头抽入两个插座板的不同插孔或移动强磁铁，改变磁铁间的距离或转动线圈架，电子秤的示数都能发生变化，表示调试成功，可以应用。endprint