自制实验教具定量探究安培力大小

苟丽娟 唐 林 宋培文

(四川省南充高级中学,四川 南充 637900)

教科版高中物理选修3-1“磁场对通电导线的作用——安培力”一节中,实验探究环节设置了如图1所示的实验装置,一通电线圈置于U型磁铁两极之间,有电流通过时,通电线圈受到向下的安培力,对线圈受力分析,重力与安培力之和等于弹簧的弹力,故弹力减去重力即为安培力.

图1 教材原图

该实验装置较简单,操作较方便,但也有不足之处.第一,由于安培力比较小,弹簧测力计精度不够,无法准确测量安培力的大小;第二,该装置调节电流大小比较麻烦,也存在精准问题,同时探究安培力与长度的关系每次实验需要更换线圈,操作复杂;第三,该装置无法定量探究安培力与磁场强弱、磁场方向与电流方向夹角的关系,学生无法理性分析并理解安培力大小计算公式.本文引进力传感器,数据采集器、恒定电源、转盘等仪器自制实验教具,可以直接定量精准探究安培力与电流、导线长度、磁场强弱、磁场与电流夹角的关系.

1 实验教具构造及原理

1.1 实验教具设计原理及实物图

1. 电脑显示器; 2. 传感器信息采集模块; 3. 恒流学生电源; 4. 电流输出接线; 5. 底座; 6. 压力传感器; 7. 支架; 8. 磁体放置台; 9. 长方形强磁铁; 10. 矩形线圈; 11. 正极接线柱; 12. 负极接线柱; 13. 角度刻度盘; 14. 角度指针; 15. 转轴.

图2 仪器装置图

图3 仪器装置实物图

1.2 实验教具及原理介绍

① 底座(5)与支架(7)固定保证仪器的稳定性.

② 转轴(15)下竖直悬挂粗细合适的矩形线圈(10),可通过旋转转轴(15)可改变矩形线圈(10)底边电流的方向.

③ 长方形强磁铁(9)两块,由于面积较大,其中心区域可看成水平匀强磁场,矩形线圈(10)两竖直边受安培力抵消,底边受到竖直向上的安培力F,则磁体(9)受到等大的竖直向下的安培力反作用力.

④ 长方形磁体(9)与磁体放置台(8)放置在压力传感器(6)上,压力传感器(6)受到增大的竖直向下的压力即安培力大小,通过传感器信息采集模块(2)转换信号输入电脑显示器(1)软件.

⑤ 压力传感器软件APP可设置去皮功能,直接测量显示安培力大小,但即使在强磁铁、强电流的环境下,安培力仍然很小,可以设置将力放大200倍显示.

⑥ 恒流电源(3)可按需调节输出需要大小的恒定电流,通过电源输出接线(4)分别与正接线柱(11)及负接线柱(12)连接使得恒定电流输入到矩形线圈(10)中.

⑦ 负接线柱(12)总共5组,分别接入不同的线圈匝数:50匝、100匝、150匝、200匝、250匝,接入不同匝数的线圈表示接入通电导线长度L不同.

⑧ 旋转转轴(15),当矩形线圈(10)底边导线电流与磁场方向相同时,角度指针(14)指向角度刻度盘(13)上0°刻度线上,转动转轴(15)改变电流方向时,角度指针(14)可直接读出电流与磁场夹角,探究安培力与角度的关系.

⑨ 磁体放置台(8)外侧磁体盒可以增添磁体,增强磁场的强弱,从而实现探究安培力与磁场强弱的关系.

2 实验演示过程及数据分析

2.1 F-I的关系

保持线圈匝数为150匝(导线长度)不变、磁场强弱不变,B⊥I时,力放大200倍.改变电流分别为:0.00 A、0.50 A、1.00 A、1.50 A、2.00 A、2.50 A时测出安培力大小记入表格(表1)并作出图像如图4.

得出结论:其他条件不变时,F与I成正比

表1 F与电流关系记录表

图4 F与I关系图

2.2 F-L的关系

保持电流、磁场不变,B⊥I时,力放大200倍.改变匝数分别为:50匝、100匝、150匝、200匝、250匝时测出安培大小记入表格(表2)并作出图像如图5.

表2 F与长度关系记录表

图5 F与L关系图

得出结论:其他条件不变时,F与L成正比

2.3 F-θ的关系

保持线圈匝数150匝(导线长度)不变、电流1.50 A不变、磁场强弱不变,力放大200倍.改变夹角分别为:0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°测出安培大小记入表格(表3)并作出图像如图6、图7所示.

表3 F与夹角关系记录表

图6 F与θ关系图

图7 F与sinθ关系图

得出结论:其他条件不变时,F与θ不成正比,F与sinθ成正比.

2.4 F-磁场强弱的关系

保持线圈匝数150匝(导线长度)、电流1.50 A不变,B⊥I时,力放大200倍.不加磁铁和增加磁铁分别测量安培力大小记入数据表格如表4.

表4 F与磁场强弱的关系记录表

得出结论:其他条件不变时,磁场越强、安培力越大.

2.5 引导学生分析得出结论:安培力大小计算公式为F=BILsinθ.

3 结束语

为了更加精确探究安培力与影响因素的关系,本文引进力传感器、恒定电源、转盘、线圈、量角器等仪器自制实验教具,可以直接定量精准地探究安培力与影响因素的关系,同时也可以用于测定磁感应强度大小,帮助学生理解磁感应强度概念,在教学中起到了较好的效果.物理是一门极为抽象的实验学科,学生在改进后的实验装置操作过程中学可以提升物理学科科学素养,有利于学生的终生发展.每一个教具创作、设计过程都是充满艰辛与不易,在此向所有奋斗在实验室的研究者致敬.