用电流天平测安培力与磁感应强度的创新演示实验

冯永庆 殷竹花

摘要：在粤教版、人教版等多种版本的中学物理教材中，探究通电导线在磁场中所受安培力的实验均为定性实验，用教材提供的方法很难实现定量研究，且教材中也没有测量磁感应强度的实验。为解决上述问题，我们自制了一套新的创新实验演示装置，即利用自制矩形线圈来研究其所受安培力与所处位置的磁感应强度，这对丰富教师的实验视野、启迪教师开发创新实验、实现课堂教学中学生的深度学习与思考均有积极意义。

关键词：安培力；磁感应强度；电流天平；磁感应强度表

中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1992-7711（2020）03-0112

一、实验背景

在人教社2010年版的普通高中物理选修3-1教材中，探究通电导线在磁场中所受安培力的影响因素的演示实验是这样做的：将一根直导线水平悬挂在三块马蹄形磁铁间，导线与磁场方向垂直。当电流通过时，导线摆动一个角度，通过摆角大小定性研究安培力大小。但教材并未给出测量摆角大小的方法，也未给出摆角大小与安培力的具体关系。事实上，导线摆动时受力会发生变化，其所受安培力与摆角关系复杂且难以描述，因此该实验只能定性为探究安培力的影响因素。

另外，磁感应强度是电磁学中一个非常重要的物理量，它高度抽象。教师开展磁感应强度的教学设计时，往往侧重于定性描述，而在定量分析方面有所欠缺。这并不利于学生深化理解磁感应强度这一物理量。

针对上述问题，笔者设计了利用电流天平基本原理测量线圈所受安培力及其所处位置磁感应强度的实验。

二、装置简说与原理本实验装置图

1.改装杠杆天平为电流天平测安培力

笔者设置电流天平，使线圈下边框与磁场方向垂直，在杠杆另一端挂上重物，调节天平使其平衡。当电流通过导线时，由于线框侧受安培力作用，杠杆失去平衡。这时，在天平一侧挂上适当的钩码m1并通过调节钩码位置使杠杆重新平衡。依据力矩平衡条件：F安L0=m1gL1（L0是线圈到支点的距离，本实验取20cm；m1是钩码质量，本实验m1分别取20g与50g；g是当地重力加速度，本实验取9.78m/s2）。

因B与I是非线性关系，所以磁感应强度表表盘刻度不均匀，读数误差较大，更精确的读数可以通过下表查知。

3.线圈

为减小线圈上边框所处位置的磁感应强度对实验测量结果引起的误差，我们用直径为3.5mm的铜线绕制9.0cm×20cm的250匝矩形线圈，线圈的长边越长对实验的误差越小。为使实验操作方便，本实验线圈的长边取20cm。

4.水平平衡指示装置

基于本实验的杠杆力矩平衡原理，我们在杠杆中心位置处固定了长指针，使指针与杠杆垂直，并在对应位置悬挂了重锤线。调节天平，当指针与重锤线重合时，杠杆处于水平平衡，提高了实验的精度。

三、实验演示与步骤

1.利用本实验装置测安培力的实验演示与步骤

（1）将线圈和重物分别挂于天平左右两端，使天平平衡，记下线圈到支点O的距离L0=20cm；

（2）给线圈通以电流I，并使其短边L2=9cm处于匀强磁场B中；

（3）若线圈所受安培力方向向下，则在天平右端挂一质量为m1= 20g的钩码，通过调节钩码位置，使天平重新平衡，在电流天平上读出此时线圈所受安培力的大小；

（4）若线圈所受安培力方向向上，则在天平左端挂一质量为m1= 20g的钩码，通过调节钩码位置，使天平重新平衡，在电流天平上读出此时线圈所受安培力的大小；

（5）保持线圈所处位置磁场不变，改变通电线圈电流大小，重复步骤2、3（或4），可分别读出线圈所受安培力大小；

（6）若线圈所受安培力较大，20g钩码可换为50g钩码，同样可在电流天平上读出安培力的值。

2.利用本实验装置测磁感应强度的实验演示与步骤

（1）在天平右端固定位置L1=18cm处悬挂20g钩码，天平失去平衡；

（2）给线圈加磁场后，通过调节电流大小，使天平重新平衡，在磁感应强度表（或查表）读出线圈所处位置磁感应强度大小；

（3）换用不同的磁铁，改变线圈所处位置的磁感应强度，重复步骤2，在磁感应强度（或查表）读出线圈所处位置磁感应强度大小；

（4）如果线圈所处位置的磁场较强，20g钩码可换为50g钩码，同样可在磁感应强度表（或查表）得到磁感应强度值。

四、数据测量与误差

1.安培力测量

改变通电线圈电流大小，可使线圈受到不同的安培力，在电流天平上读出线圈所受安培力的大小，列出表1记录有关数据。

2.磁感应强度测量

换用不同的磁铁，可使线圈处于不同的磁场中，在磁感应强度表（或查表）读出线圈所处位置磁感应强度大小，并用精密仪器高斯计测量线圈处于不同磁場时的磁感应强度大小，列出表2记录有关数据。

五、实验创新与意义

这款用电流天平测安培力与磁感应强度的创新实验演示装置主要有以下几点创新之处。

1.利用杠杆二次平衡原理，将抽象的安培力用“钩码”的重力“替代”，在电流天平上可直观准确地读出线圈所受安培力，增大了实验的可见度与可操作性，实验现象明显，演示效果好。

2.在磁感应强度表上可直接读出线圈所处位置的磁感应强度大小，且测量结果经与精密仪器高斯计测量值比较，误差值在5%以内，在实验误差要求范围内。

3.此自制实验装置利用杠杆力矩平衡原理，定量探究了线圈所受安培力与所处位置的磁感应强度。

4.此自制实验仪器取材便利，制作简便，应用于物理课堂实验教学中具有启发性、探究性，既激发了学生动手制作教具的兴趣，又培养了学生分析解决问题的能力，更好的体现了物理学科核心素养的教学理念。

六、教学效果与反思

本实验装置针对课本演示实验的不足，用生活与实验室唾手可得的材料制作而成，方法简单、容易掌握，操作性强。

本实验装置制作所使用的数据，是笔者根据制作的材料按实际情况而定的，读者在参考制作时可视自己的实际情况进行修改，如线圈的匝数、悬挂钩码的质量与位置等。

参考文献：

[1]冯容士，李鼎.DIS安培力试验器[J].物理教学，2012（8）：20-24.

[2]周洪驰.磁感应强度测量方法探讨[J].物理通报，2007（8）：61-63.

[3]薛贵，孟现柱.利用电流天平演示仪测量磁感应强度[J].湖南中学物理，2018（11）：60-61.

（作者单位：广东省梅县东山中学514017）