安培力定量分析实验仪的制作与使用

邓治国 王韶修

(增城市教育局教研室 广东 广州 511300) (增城市新塘镇新塘中学 广东 广州 511300)

1 引言

2 实验仪的制作

(1)实验仪的实物图与电路图

仪器主要包括电磁铁,线圈,弹簧测力计,支架以及电源控制装置，如图1.图2为其电路图，A1为励磁电流计，A2为线圈电流计.

图1 实验仪的实物图

图2 实验仪的电路图

电磁铁的铁芯由半闭合的软磁材料构成.励磁线圈依次与开关、滑动变阻器、电源、电流表串联组成闭合回路；弹簧测力计上端固定在支架上，下端悬挂线圈;线圈通过轻软导线依次与开关、滑动变阻器、电源、电流表串联组成闭合回路.

(2)制作材料

硅钢片，直径0.69 mm和0.35 mm漆包线，铁架台1个，弹簧1根，直尺1把，12 V稳压开关电源1个，量程3 A的电流表2个，最大值50 Ω的滑动变阻器2个，水泥电阻2个，旋钮螺丝1支，开关3个，导线若干.

(3)匀强磁场控制装置

电磁铁铁芯是由半闭合的高磁导率软磁材料构成.在闭合的磁场通路做一个缺口，这个缺口会产生很强的磁场.铁芯由硅钢片(图3)组成.电磁铁的励磁线圈安装在铁芯左右两侧.铁芯的缺口处左右正对面要相互平行，铁芯正对面的高度要适当高些，保证通电线圈受安培力上、下移动过程中始终在正对面的高度范围内.并且将两个励磁线圈接入电路时，使两个励磁线圈在铁芯中产生相同方向(顺时针或逆时针)的磁场.图4是匀强磁场控制装置.

图3 硅钢片铁芯 图4 匀强磁场控制装置

(4)通电线圈

图5 通电线圈 图6 弹簧测力计

线圈是带有中心抽头的多匝线圈，在线圈骨架引出三个接线口，匝数分别0、50匝、100匝.三个接线口通过三根轻软的导线连接到水泥电阻(起保护作用)后引到铁架台的三个固定接线柱上，三个接线柱分别是0、50匝、100匝，不同的接线柱线圈匝数n不同，实现改变导线在磁场的长度.将通电线圈通过细绳与弹簧测力计一端连接，弹簧测力计另一端与可以上、下调节的螺丝连接，螺丝与支架连接，如图5.

(5)弹簧测力计

弹簧测力计由劲度系数100 N/m的弹簧和直尺组成，弹簧的精度是0.01 N，如图6.

(6)电源控制装置

仪器的电源是稳压开关电源，提供12 V直流电.由三个开关控制，分别为电源总开关、励磁电源开关和通电线圈电源开关.通过两个滑动变阻器分别控制励磁线圈电流和线圈电流.两个电流表分别读出励磁电流和线圈电流，如图7.

图7 电流表

3 实验仪的工作原理与实验操作

实验一：线圈的匝数不变，通过调节滑动变阻器阻值改变线圈电流的大小I，然后通过弹簧测力计读出相应安培力的大小F.实验可以得到当通电导线与磁场方向垂直，磁场强弱、导线的长度不变时，安培力的大小F与线圈电流的大小I成正比.

实验二：线圈的电流不变，通过改变线圈的接线口改变线圈的匝数，然后通过弹簧测力计读出相应安培力的大小F.实验可以得到当通电导线与磁场方向垂直，磁场强弱、导线的电流不变时，安培力的大小F与导线的长度L成正比.实验数据(励磁电流=1.70 A)如表1,2.

表1 n=50匝安培力F与线圈电流I的关系

表2 n=100匝安培力F与线圈电流I的关系

总结实验一和实验二，得到在同一磁场中，当通电导线与磁场方向垂直时，导线受到安培力的大小F，与导线的长度L成正比，与导线中的电流I成正比，即F=ILB，其中B是比例常数.

实验数据记录，励磁电流=1.30 A，如表3,4和励磁电流=1.00 A，如表5,6所示.

表3 n=50匝安培力F与线圈电流I的关系

表4 n=100匝安培力F与线圈电流I的关系

表5 n=50匝安培力F与线圈电流I的关系

表6 n=100匝安培力F与线圈电流I的关系

4 数据处理

探讨安培力F与IL的关系，F取多次测量的平均值(线圈底边长是0.04 m,线圈50匝对应长度是2 m，100匝对应长度是4 m),实验记录如表7～9.

表7 安培力F与IL的关系(励磁电流1.70 A)

表8 安培力F与IL的关系(励磁电流1.30 A )

表9 安培力F与IL的关系(励磁电流1.00 A )

通过电脑描点画图得出了安培力F与IL的关系如图8.从图8中能清晰地看到在不同的励磁电流(可以近似看成是不同的磁感应强度)下实验，二者都成正比例关系.

图8

安培力定量分析实验仪的不足之处在于线圈的匝数学生不容易看清楚，与线圈引出的两根细软导线容易断.但此实验的确让学生看到安培力连续变化的现象，体验实验探究的过程并通过分析数据得出了正确结论，培养了学生分析、归纳、总结的能力.该仪器体现以实验为基础的学科特点，用实验定量地测量安培力，填补了教材编写和没有配套仪器的空白，受到学生喜欢，提高了教学的有效性.