用DIS定量研究安培力的实验方案

王明辉

摘  要：DISlab（Digital Information System laboratory数字化信息系统实验室）是一种将传感器、数据采集器和计算机组合起来，共同完成对物理量测量的装置。利用DIS信息技术进行探究安培力大小的实验，较好地解决了传统实验方案中存在的问题。能够全面、精确地探究安培力大小与各种因素之间的定量关系，加深学生对安培力大小计算公式的理解，并提高学生利用现代信息技术自主探究、进行科学实验的意识。

关键词：DIS信息技术;安培力;探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2019）5-0046-3

1    现有问题

探究安培力大小的影响因素是在学生学习磁场、磁感线概念之后，学习磁感应强度之前的探究性实验。通过控制变量法进行实验探究，寻找磁场对通电导线的作用力大小与相关影响因素的定量关系。人教版教材[1]是通过通电导体棒在安培力作用下的偏移量来确定安培力大小的。教科版[2]用弹簧测力计测量线圈所受安培力。两种实验方案的问题在于对安培力大小的测量数据少。且均只能探究安培力与电流、导线处于磁场中的长度之间的关系，不能分析导线放置方向及磁场强弱对安培力的影响。

而利用朗威DISLab的微力传感器、电流传感器及安培力实验器（如图1）则可以探究安培力与导线和磁场夹角、电流、有效长度的关系，经过器材改进，也可以探究磁场强弱对安培力大小的影响，为磁感应强度概念学习奠定基础，甚至可以利用实验数据计算得出实验中磁场的磁感应强度大小。

2    基于DIS信息技术的实验探究

2.1    实验器材

DIS数字信息实验系统，安培力实验器，微力传感器，电流传感器，大、小U型磁铁各一对，学生电源，滑动变阻器，导线若干。

2.2    实验原理

影响安培力的因素有导线与磁场方向夹角、电流大小、导线有效长度、磁场强弱。实验采用控制变量法，且后三个物理关系的探究是建立在导线垂直磁场放置的前提下，因此实验应先探究与夹角的关系。

学生电源电压14 V，滑动变阻器。由于实验中要使电流从零开始调节，因此选用滑动变阻器分压接法。起始时使传感器调零，滑片置于最左端。（如图2）

2.3    实验过程

2.3.1    探究F与导线和磁场方向夹角的关系

（1）定性分析：线圈选取100匝。滑动变阻器滑片置于最左端，闭合开关。移动滑片适当增大通过线圈的电流。缓慢旋转磁场，可以看到线圈所受磁场力随之发生变化，导线垂直磁场时力最大，平行磁场时安培力为零。

（2）数据采集：点击组合图线，添加图线，X轴为时间t，Y轴为力F。选取采样频率为500 Hz。点击“开始”，同时使线圈从平行磁场位置开始旋转磁场，旋转10～15个周期后点击停止。

（3）数据处理：由于初始阶段磁体旋转不稳，因此选取旋转稳定后的图像，点击图像分析“拟合”，进行正弦拟合。如图3所示。

（4）结论：磁铁匀速旋转时，导线所受安培力随时间按正弦规律变化。说明当其他条件不变，只改变导线在磁场中的放置方向时，通电导线所受磁场力F与导线和磁场夹角满足正弦关系。

2.3.2    探究F与I的关系

（1）固定变量：线圈选取100匝，闭合开关后，移动滑片适当增大通过线圈的电流为任一数值。旋转磁场，使线圈所受磁场力最大，旋紧磁体转盘控制片，固定磁场方向。

（2）采集数据：点击添加数据表格，选取采样时间为2 s，点击“开始”，同时滑片从最左端开始缓慢向右移动，使通过线圈的电流基本均匀增加，滑片移动全程采样20组数据。

（3）数据处理：将实验数据复制到Excel表格中，选取F、I数据，添加散点图;选取数据点，点击右键“添加趋势线”，选取线性并显示公式。如图4所示。

（4）结论：当保持导线垂直磁场放置，且导线在磁场中长度不变时，所受安培力与导线中电流大小成正比。

2.3.3    探究F与L的关系

（1）线圈选取200匝。重复2.3.2的步骤。

（2）将实验数据复制到步骤2.3.2数据的同一个Excel中。选取100匝数据图像，点击右键“选择数据”，点击“添加”。選择200匝电流数据作为X轴，F数据作为Y轴，点击确定。选择200匝数据点，点击右键“添加趋势线”，选择“线性”“显示公式”。如图5所示。

（3）结论：导线垂直磁场放置时，所受磁场力大小与导线所通电流大小I和处于磁场中的长度L之积成正比。

2.3.4    探究F与磁场强弱的关系

（1）线圈选取200匝。将安培力实验器中的磁铁分别更换为两个对接的大U型磁铁（如图6所示）、一个大U型磁铁、两个对接的小U型磁铁、一个小U型磁铁。分别重复步骤2.3.3中的操作。得到图像如图7所示。

（2）结论：导线垂直磁场放置且处于磁场中的长度不变时，通电导线所受磁场力F与导线中电流I的比值与磁场强弱有关。

3    实验反思

本实验设计方案充分利用DIS信息技术，与教材中所例举的两个实验比较，存在如下优点：

（1）实验可测数据多，实验结果可信度大，数据精确。其中，探究F与L的关系中，虽然只有100匝、200匝两组长度可调节，但是与电流变化相结合共同采集数据，更有利于学生得出导线垂直磁场放置时，所受安培力F与电流I和导线长度L的乘积IL成正比的结论。

（2）实验可充分探究安培力与各因素之间的关系。有利于学生充分了解安培力与各因素之间的定量关系。实验中更换安培力实验器的磁铁，来实现改变磁场强弱，是本实验的一个改进创新点，可以更直观地看到磁场强弱对安培力大小的影响。但需要注意的是实验中磁场强弱不能单纯以磁铁大小来区分。

（3）实验提供一种测量匀强磁场磁感应强度的方法。可以利用实验步骤3、4中的图像斜率结合导线有效长度，利用F=nBIL计算出线圈底边所处的匀强磁场磁感应强度。

（4）实验充分体现了物理教学与现代信息技术的整合，采用DIS传感器进行实验，让学生更快速、直观地得出相关结论。有利于学生了解、应用现代信息技术来解决问题，提高学生的探究能力和解决实际问题的能力。

参考文献：

[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选修3-1[M].北京：人民教育出版社，2015：83-84.

[2]教育科学出版社.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1[M].北京：教育科学出版社，2014：85-86.

（栏目编辑    王柏庐）