“探究磁场对通电导线的作用

杨鑫

摘 要：探究安培力的方向时，通过实验得到电流方向、磁场方向不同组合时，对应的安培力方向，经归纳、总结、顿悟得到左手定则，再用控制变量法在专用装置上探究安培力的大小与I、L、B三个因素之间的关系。

关键词：高中物理；实验教学；教学设计；安培力；真实体验

中图分类号：G633.7 文献标志码：A 文章编号：1008-3561（2018）29-0063-01

一、前言

师：同学们，在学习今天的内容之前，请大家先看屏幕上的图片（PPT），这就是今天要学习的内容，磁场对通电导线的作用力——安培力。法国物理学家安培在1820年发现并研究了这种力，今天我们一起追寻科学家的足迹来研究安培力。

二、新课

师：研究一个力，先要研究它的方向和大小。首先我们来研究安培力的方向，实验是研究物理问题最直接有效方法，请同学们看研究安培力方向的自制实验装置。

师：这是磁体N极，这是S极。磁场方向竖直向下，内侧导轨接电源正极，外侧接负极，导体棒的电流由内向外，我们观察到安培力的方向向右（PPT）。保持电流方向不变，改变磁场向上，安培力向左（PPT）。保持磁场方向不变，调换正负极改变电流方向，安培力的方向又如何？——安培力向右（PPT）。通过这三次实验我们发现：电流方向、磁场方向、安培力方向分处于三维空间。当年安培创造性地用左手四指方向表示电流方向、穿过左掌面法线方向表示磁场方向，发现大拇指正好指向安培力方向。由此，他总结出了左手定则（PPT比画动作读一遍）。（意图：在实验中发现，在情境中归纳。）

师：以上探究了安培力的方向，下面再来探究安培力的大小。安培力的大小可能和哪些因素有关？根据前面的电动机模型，引导学生猜想安培力的大小可能的影响因素：a.电流的大小（I），b.通电导体的长度（L），c.磁场的强弱有关（B）。师：这三个因素和安培力的大小有什么关系呢？同学们可以用实验的方法来探究。

三、借助實验，定性定量研究影响安培力大小的因素

学生分组实验，定性探究影响安培力大小的因素。之后，教师可告诉学生：大家探究安培力的大小与三者的关系，但只是定性的关系，这样的结论不够满意，还要进一步探究安培力的大小与三者之间的定量关系。为此，我们可对仪器进行升级改造，请看屏幕上PPT 对比图，我们用励磁线圈代替磁极，用中间抽头的矩形线框代替金属导体，原理图是这样的（PPT原理图）。然后教师进行演示实验，定量研究影响安培力大小的因素。

（1）励磁部分：由一对正对矩形励磁线圈与电路部分组成，通过调节励磁电流的大小就能调节磁感应强度B的大小，由毕奥萨伐尔定律可知磁感应强度大小与励磁电流I2大小成正比，就可以用励磁电流来表示磁场磁感应强度的大小。我们采用实验室自备的矩形赫姆霍兹线圈产生竖直方向匀强磁场，磁场空间：长20cm，宽18cm，高10cm。

（2）安培力测量指示部分：在工作线圈略高于重心处装上转轴，安装在微轴承上，在线圈内侧竖直边上装上较长指针（约30cm）。原理如下：励磁线圈通入励磁电流产生磁场，改变励磁电流的大小可以改变磁感应强度的大小。根据理论可知：磁感应强度的大小与电流大小成正比。因此，可用励磁电流的大小表示磁场的大小。

工作线圈采用中间抽头的技术，（PPT）当接0～200两根接线柱时，每匝导线在磁场中的有效长度为20厘米，因此接入的通电导线有效长度共计为40米；接200～600，为400匝，共计为80米；接0～600，为600匝，为120米；接200～1000，800匝，160米；0～1000，1000匝，200米。

安培力的大小由指针在横向直线的刻度来表示。在这里用右边的电流表输入励磁电流，左边的输入导体电流（分别将牌子放上）。再次采用控制变量的方法来探究B、L一定，F与I的关系。先观察以下数据，再看得到的图像，由此可以得到：安培力的大小与电流大小成正比，即F安∝I。

综上所述，安培力的大小与磁感应强度B、导线长度L和电流I三者大小都成正比，即F ∝BIL =kBIL。与牛顿第二定律的探究一样，规律的表达需要简洁美，在国际单位制中，可取k=1，则表达式为： F=BIL。安培力的教学是高中阶段的一个难点，教材教参上没有出现将安培力与磁场的关系通过实验的形式展示出来的情况。本课程设计解决了这个难题，不仅有利于学生更为全面地认识结论产生的过程，更有利于向学生展示动手动脑解决问题的态度，进行有效的情感态度价值观的教育。

参考文献：

[1]朱健.《磁场对通电导线的作用——安培力》教学设计[J].物理教学探讨，2015（06）.

[2]陈八路.浅谈高中物理实验教学[J].数理化解题研究，2017（18）.