安培力方向判断演示实验的改进

翁晓隆

（浙江师范大学附属中学，浙江 金华）

人教版3-1《磁场》章节中《通电导线在磁场中受到的力》这节课的教学，重点是探究安培力的方向与哪些因素有关，在教学中往往要进行学生分组探究实验。其中关于安培力方向的判断，在目前的教学中常见的方法有两种：

（1）利用悬挂的导体棒的初始运动方向来判断安培力的方向，如图1所示。

图1

探究结论：导体棒的初始运动方向为导体棒通电后受安培力的方向。

（2）利用导轨上导体棒的初始运动方向来判断安培力的方向，如图2所示。

图2

探究结论：导体棒的初始运动方向为导体棒通电后受安培力的方向。

以上两种方法在现象判断和结论分析方面存在着一定问题，假如安培力的方向在如图3中所示中的F1和F3两种情况下，都可以使导体棒向右运动，因此排除掉F1和F3的可能性，最终确定水平方向F2是安培力的唯一方向，教师在学生进行探究实验前必须要明确指导学生，否则不利于培养学生严谨的思维。

图3

演示实验改进方案一：改变磁铁摆放的方向，看安培力引起的效果

通过本人在教学过程中的摸索和实验，摸索出三个演示实验的改进方案。

设计原理：

在如图1所示装置中，通电后导体棒向右运动，导体棒可能受到如图3所示的F1、F2或F3三种可能情况。若将蹄形磁铁竖直放置，磁场水平方向。若导体棒通电后受到如图3所示的F1时，当磁铁竖直放置时，导体棒受到如图4所示F1作用，在水平分力作用下向右运动；若导体棒通电后受到如图3所示的F3时，当磁铁竖直放置时，导体棒受到如图4所示F3作用，在水平分力作用下向左运动；若导体棒通电后受到如图3所示的F2时，当磁铁竖直放置时，导体棒受到如图4所示F2作用，竖直方向运动。

图4

演示实验装置：

图5为改进后的实验装置。该实验改进装置是在悬挂金属棒的两导线上增加两个劲度系数较小的弹簧，金属棒用空心铝棒或用锡箔卷在水笔笔芯上，将细铜丝（去除绝缘漆）焊接在空心铝棒两端后固定在两弹簧上，然后再绕过弹簧连接到接线柱上（防止因为弹簧在通电后收缩而影响实验的准确性）。将蹄形磁铁竖直放置。

图5

演示实验操作和实验现象：

将装置接入电路中，电源选用4节干电池，让蹄形磁铁水平放置，即磁场方向是竖直方向，当通电后金属棒摆动（如图1所示向右摆动），则金属棒受力的方向可能是如图3所示的F1、F2或F3三种可能情况。再将蹄形磁铁竖直放置，如图5所示，即磁场方向是水平方向，反复接通和断开开关，发现金属棒只上下振动而不左右摆动。据此判断安培力方向是在竖直方向上，从而证明了前一次安培力的方向为水平方向的F2唯一确定性。为了让现象更明显，该实验没有使用保护电阻而采取直接将导体棒接入电源两端的方法，因此每次实验接通开关后应马上断开，以防电源过载。

演示实验改进方案二：利用锡箔丝受安培力发生形变的方向来判断安培力方向

设计原理：

将导体棒换成质量很轻、比较柔软的锡箔丝，穿在两金属支架上，并安放在蹄形磁铁中间，通电后锡箔丝在安培力的作用下运动并发生形变，通过锡箔丝的形变方向就可以判断出安培力的方向。

演示实验装置：

将锡箔纸剪成宽2 mm左右，长10 cm左右的细丝并拉直。将两金属杆固定在木板上，一端制成很小的口字型金属套，将锡箔丝穿进两金属套中，保证锡箔丝和金属套接触良好，且锡箔丝可以在金属套中前后移动，锡箔丝拉直并与磁场垂直。金属杆靠木板端夹上导线，如图6所示。

图6

演示实验操作和实验现象：

将装置接入电路，电源为4节干电池，让蹄形磁铁磁场方向竖直。锡箔丝拉直水平放置，忽略重力作用，闭合电键，锡箔丝在较强的安培力作用下，水平方向运动，由于锡箔丝可以在金属套中前后移动，锡箔丝发生弯曲，且弯曲方向朝水平方向。多次转动蹄形磁铁，改变磁场方向，锡箔丝的弯曲方向始终与磁场方向垂直，证明了图3安培力的方向为水平方向的唯一确定性。该实验没有使用保护电阻，因此每次实验接通开关后应马上断开。

演示实验改进方案三：用力传感器测力的竖直分量

设计原理：

如果安培力的方向不是沿图3中F2的水平方向，那么该力会产生竖直方向的分力，如图7所示，若能够判断出安培力的竖直分力是否存在，就可以解决安培力是否水平的问题。

图7

演示实验装置：

竖直方向的力我们用DIS力传感器来测量（力传感器的示数可以显示到0.001 N），在有机玻璃板平台上固定两根粗铜丝作为导轨，将一锡箔纸卷成的导体棒（多卷几层，边缘用金属胶粘住）垂直导轨水平放置。两导轨各连接一金属导线通过支架一起固定到力传感器上，如图8所示。将该装置放入竖直方向的磁场中，该磁场由两块较大的平行放置的永久磁铁产生，可近似看做匀强磁场，导轨平面水平，如图9所示。

图8

图9

演示实验操作和实验现象：

将力传感器、数据采集器与计算机连接，点击DISLab通用软件，计算机界面上显示力传感器的数值。接通电源前，力传感器显示的是整个支架受到的重力，为了能更好地观察通电后力传感器测量的力情况，点击界面上调零按钮，先将力传感器测量数据调零，如果导体棒通电后受安培力为图7中的F1则力传感器显示负值。如果受安培力为图7中的F3则力传感器显示正值。接下来闭合电键通电，观察导体棒的运动情况和屏幕上力传感器显示的数据。实验现象是通电后导体棒在安培力作用下快速做水平运动，同时力传感器显示的示数几乎一直为零，证明了安培力的方向为水平方向的F2唯一确定性。

前两个方案是定性演示实验，第三个方案是定量演示实验。在2016年举行的浙江省中学物理课堂教学大赛上，我在《通电导线在磁场中受到的力》一课上，运用了上述演示实验，得到评委高度肯定，获得了一等奖第一名的好成绩。