便携式高精度安培力探究仪
扬州大学附属中学
摘 要：为定量探究影响安培力的因素, 设计制作了安培力探究仪.利用电子秤测安培力的大小, 通过改变电池节数和电阻来改变电流大小, 改变线圈抽头来改变通电导线的长度, 用钕铁硼强磁铁来增大匀强磁场的强度和宽度, 改变两磁极间距离改变磁感应强度, 用角度盘、指针和放大镜组合而成的测角器来清晰显示电流与磁场方向间夹角的大小及其变化.应用该仪器, 利于学生理解左手定则和公式F=IlBsinθ.
关键词：安培力; 电流; 磁感应强度;
1 实验装置的改进思路
人教版物理教材和学校实验室提供的探究装置如图1所示.简单的实验装置只能定性研究, 不能定量探究, 操作也不方便.为此笔者对该实验装置进行了改进, 设计了安培力探究仪, 实物图如图2所示, 电路图如图3所示.
图1 教材及实验室装置
图2 安培力探究仪实物图
图3 电路图
1.1 安培力大小的测量与方向判断
由于安培力的测量值较小, 在10N的数量级, 弹簧测力计的精度不能满足定量探究的需要.为此改用精度为0.01g的电子秤, 转化为测力计, 将质量单位g换算为力的单位N, 读数时, 将显示屏上的示数乘以系数10即可.此时测力计的精度为0.000 1N.示数为正, 表示安培力的方向向下;示数为负, 表示安培力的方向向上.
1.2 电流大小的测量及其改变方法
用精度为0.01A的数显电流表来测量电流的大小.改变电流的方法有2种:
1) 电池盒内有4节5号干电池, 改变接入电路中的电池节数, 可分别获得1.5, 3, 4.5, 6V的电压.
2) 移动滑动变阻器的滑片来改变电流.香蕉插头用来外接线圈与电池2个插座板中的插孔, 方便地改变电压和线圈匝数.
1.3 导线长度的测量及其改变方法
由于1根通电直导线上获得的安培力很小, 测量误差较大, 所以自制了带有抽头的矩形线圈作为通电导线.其在磁场中的长度为矩形的长边l0与其匝数n的乘积.5个抽头可获得4组不同的匝数, 分别为100, 150, 200, 250匝, 矩形线圈的有效长度设计为0.08m, 通电导线在磁场中可方便地获得8, 12, 16, 20m不同的有效长度.
1.4 匀强磁场的获取及其改变方法
蹄形磁体的磁场宽度较小、体积较大、磁场强度不易改变, 还很笨重, 所以选用2个长10cm×1cm×1cm的钕铁硼强磁铁代替.该强磁体可获得10cm宽的匀强磁场, 通过改变磁铁间的距离还可以改变磁感应强度.前后2块强磁铁, 能在左右2个导轨上前后移动, 左右2根长度相同的隔木条能将前后2块强磁铁隔开一定的距离, 可调节为4, 5, 6, 8cm这4个距离.
1.5 电流与磁场间夹角的测量及其改变
实验装置利用自制的测角器测量电流与磁场间的夹角, 它包括角度盘、放大镜和指针3个部分.角度盘固定在矩形线圈的上表面, 其90°的位置始终与通电导线的位置一致, 并与矩形线圈共同绕固定在电子秤盘上的转轴旋转.固定在仪器支架上的指针能指向测角器旋转后的刻度, 并通过与指针固定在一起的放大镜直接清晰地显示出电流与磁场间的夹角θ.
2 探究仪的制作及其调试
2.1 器材与工具
漆包线、装饰板、凸透镜、滑动变阻器、双面胶、木胶、电子秤、数显电流表、钕铁硼强磁铁、插座、插头、电脑、刻度尺、圆规、铅笔、锯子、手电钻、美工刀、锉刀.
2.2 制作过程
制作转轴:在电子秤的秤盘上制作有固定转轴的盘盖.
绕制线圈:用包装盒纸板制成骨架, 并在骨架上绕漆包线, 留出抽头.
制作仪器架:用装饰板制作仪器架, 在仪器架上设置可以使强磁铁滑动的导轨, 其旁边设置刻度尺, 可方便地直接测出2个强磁铁间的距离, 或其改变后的距离.
制作测角器:将角度盘固定在线圈架上, 其90°的位置始终与线圈中通电导线位置一致.底座有与电子秤盘上的转轴相连的旋转孔.放大镜与指针固定在仪器架的侧板上.
制作插座板:在仪器架背面板上制作电源插座板 (标有1.5V, 3V, 4.5V, 6V) 和线圈插座板 (标有匝数100, 150, 200, 250) .
2.3 安装调试
将电子秤、数显电流表、强磁铁、测角器、开关、插座板、电池盒等器材安装在仪器架上, 并按教材中电路图连接, 进行调试.
3 定量探究安培力大小的影响因素
3.1 收集数据
表1中加粗数据为实验测得到, 其余数据为计算得到, 红色数据为探究所用.
表1 实测数据
3.2 分析论证
由表1中1~4行的数据分析可得:在保持磁感应强度、导线的长度一定时, 垂直于磁场方向的通电导线所受的安培力F的大小与导线中的电流I成正比.
由表1中第1行和5~7行的数据分析可得:在磁场的强度、导线中的电流一定时, 垂直于磁场方向的通电导线所受的安培力F的大小与导线的长度L成正比.
由表1中第1行和8~10行的数据分析可得:在导线的长度、电流一定时, 垂直于磁场方向的通电导线所受的安培力F的大小与磁感应强度B成正比.
由表1中第1行和11~14行的数据分析可得:在磁场的强弱、导线的长度、导线中的电流都一定时, 通电导线受到安培力F的大小跟磁场与电流方向间夹角θ的正弦值成正比.
综上所述, 通电导线在磁场中所受的安培力F的大小, 与导线中的电流I、通电导线的长度L、磁感应强度B、磁场与电流方向间夹角θ的正弦值成正比.由此可以归纳出计算安培力的公式:F=IlBsinθ.
4 定性探究安培力方向的影响因素
4.1 实验现象
分别改变电流方向 (由“→”改变为“←”) 和磁场方向 (由“×”改变为“·”) , 观察电子秤示数的正负 (“↓”为正, “↑”为负) , 将3个方向分别记录在表2中.
表2 探究安培力方向数据
4.2 左手定则
分析表2可知:安培力的方向与电流的方向、磁场的方向都有关, 可用左手定则来描述.
4.3 验证结论
将表1中实验数据代入公式F=IlBsinθ中, 只要等式成立, 即可验证该公式.也可让学生用表2中3个方向之间的关系来验证左手定则.
5 结束语
笔者对教材中安培力探究实验进行改进, 设计制作了安培力探究仪.用电子秤测安培力的大小, 其示数的正与负表示安培力的方向, 利用改变电池节数和改变电阻来改变电流的大小, 改变线圈抽头来改变通电导线的长度, 用钕铁硼强磁铁来增大匀强磁场的强度和宽度, 改变2个磁极间距离改变磁感应强度, 用角度盘、指针和放大镜组合而成的测角器来清晰显示电流与磁场方向间夹角的大小及其变化.应用本仪器, 可验证左手定则和公式F=ILBsinθ.
作者简介：方红霞 (1971-) , 女, 江苏扬州人, 扬州大学附属中学高级教师, 学士, 从事中学物理教学与研究工作.
文章发在表《物理实验》 2017,02(37),57-59
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