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利用DIS定量探究安培力的大小

发表时间：2021/3/22 来源：《教育研究》2020年11月作者：陈文

[导读] 安培力是磁场力的一种表现形式，安培力的问题是后续深入学习磁场问题的基础之一。本文将利用DIS微力传感器、微电流传感器、自制线圈和励磁线圈，组装成新的演示实验系统，并利用实验装置进行实时的数据测量和记录。通过直接数据分析，来发现安培力大小与通电导体的电流、长度、以及导体所在磁场大小之间的关系。

福建省厦门外国语学校陈文 361026

摘要：安培力是磁场力的一种表现形式，安培力的问题是后续深入学习磁场问题的基础之一。本文将利用DIS微力传感器、微电流传感器、自制线圈和励磁线圈，组装成新的演示实验系统，并利用实验装置进行实时的数据测量和记录。通过直接数据分析，来发现安培力大小与通电导体的电流、长度、以及导体所在磁场大小之间的关系。
关键词：自制教具安培力定量探究励磁线圈传感器
鲁科版普通高中课程标准实验教科书物理（选修3-1）第六章第1节涉及探究安培力大小的演示实验。在教材中，利用如图一所示的装置，分析安培力大小与通电导体的电流、长度、以及导体所在磁场大小之间的关系。本实验逻辑性强，通过控制变量法，说明了安培力的大小与三个相关因素的关系。但本实验也比较粗糙，只能定性的帮助学生认识安培力的大小与三个相关因素的关系。在演示安培力大小与磁感应强度之间的关系时，本实验只是通过改变蹄形磁铁的大小来说明磁场从小变大，在科学性上存在缺陷。

        随着中学实验条件的改善，笔者利用DIS中的微力传感器和微电流传感器、以及自制矩形线圈和购买的励磁线圈，实现这个演示实验装置的升级。新的实验系统，可以让我们在课堂上，直接进行安培力与三个相关因素的定量探究和数据处理，并生成结论。让学生更好的接受和内化学习内容。
        实验一：分析安培力与通电电流的关系。
        首先，我们介绍一下实验装置。如图二所示把电源、矩形线圈、电流传感器串联。矩形线圈利用力传感器竖直悬挂。用木条在木板上，等间距隔出五个格子。把五个磁铁等间距放置在木板上，N极朝外。为了增加蹄形磁铁的磁性，可以在蹄形磁铁内侧固定矩形强磁铁，来增加实验效果。矩形线圈的底边放在磁场中，如图三所示。把矩形线圈的两边做上标记，让电流从红色一侧通过底边流到蓝色一侧。使底边导体受到向下的安培力。接通电源，力传感器调零后，通过改变电源电压，改变导体中电流的大小，电脑实时显示要记录的数据，并把记录的数据汇总到表格，如表一所示。利用DIS配套软件直接以电流为横轴，安培力为纵轴，描点，用一次函数进行拟合作图，如图四所示。

        从图四中，我们看出，安培力与通电电流成正比。
        实验二：分析安培力与磁场中导体的长度的关系
        第二个实验，仍然利用第一个实验的装置。如图二、图三所示。保持电源电压和导体电流不变。接通电源，力传感器调零后，把罩在线圈底边的U形磁铁逐个撤去，从而使得磁场中导体的长度发生变化，力传感器同时通过电脑显示对应的安培力。记录每次撤去磁铁后，导体在磁场中的长度比例，和力传感器接收到的力的大小。把数据用数据表格的形式，记录下来，如表二所示。利用数据表格，以导体长度为横轴，安培力为纵轴画图，如图五所示。

        通过图表，我们可以看出，安培力与磁场中导体的长度成正比。
        实验三：分析安培力与导体所在磁场大小的关系。
        在实验三中，我们需要改变磁场大小。我们利用两个电磁铁互相正对放置（如图六所示），通过改变电磁铁的电流来改变两个电磁铁之间的磁场大小。由于电磁铁产生了磁场，称为励磁线圈，电磁铁的电流称为励磁电流。把这两个电磁铁、学生电源、电流传感器、滑动变阻器串联（如图七所示）。这个电路用于产生磁场，磁场与励磁电流大小成正比。产生磁场的电流由电流传感器测量，电脑显示和记录。再把矩形线圈与电源串联（如图八），矩形线圈的底边悬挂在两个电磁铁之间的磁场中（如图九），并挂在力传感器上。（把图七和图八组合成图九）在这个实验装置中，矩形线圈的电流保持不变。电流传感器测量记录励磁电流Ib，力传感器测量记录矩形线圈底边导体受到的安培力。把力传感器调零后，接通电路，改变滑动变阻器的阻值，我们记录变化的励磁电流和线圈底边受到的对应的安培力。记录数据，如表三所示，并作图。

        根据图十，我们发现，安培力与励磁电流成正比，励磁电流和励磁磁场成正比，即安培力与励磁磁场成正比。
        认真留意以上三个实验，我们会发现，这三个实验都保持磁场与导体互相垂直。因此，根据这三个实验，当磁场方向与导体互相垂直时，安培力与导体的电流大小、导体在磁场中的长度、所在磁场的大小都成正比。即与三者的乘积成正比。各个物理量若都使用国际单位制，则当B⊥L，F = BIL。
        通过这个实验的演示，可以让学生经历一个完整的科学探究的过程，给学生进行规范实验的示范。可以使学生更好的巩固和体会电流和磁场关系。本实验，装置简单，易于组装和操作，可以实现数据的自动获取和记录，并即时进行数据处理，现象明显，效果非常好。且系统稳定，也适合推广为分组实验。通过观察数据处理结果，学生可以自我生成物理知识，可以充分的接受和认可安培力与磁场、电流、导线长度之间的关系。
参考文献：
[1]廖伯琴．普通高中课程标准实验教科书物理．山东教育出版社，2011,7