磁感应强度探究实验器的设计开发与应用

柯本勇 陈爱峰

为帮助高中生更好地认识和理解“磁感应强度”这一反映磁场属性的重要物理概念，在教学中展现科学探究的过程和科学研究方法，我们设计、制作了“磁感应强度探究实验器”，并利用该实验器采集的实验数据详细说明其在“磁感应强度”教学中的多种应用。

一、项目背景与设计思想

当前中学物理在“磁感应强度”概念教学中普遍采用的教学方法是：通过对安培力的定性或半定量实验 “探究影响通电导线受力因素”，给出安培力计算公式 F=BIL(B为比例常数)，再通过讲解给出磁感应强度的概念和定义式：这种教学方式使得实验规律“F∝I，F∝L”的可信度不高，对“磁感应强度”由磁场本身决定、反映磁场本身的属性等知识点突出不够，一定程度上影响了学生对这一物理概念的学习与理解。怎样有效地帮助学生建立“磁感应强度”这个抽象概念？现代教学理念认为：运用实验手段进行探究是学生学习抽象概念的理想教学方式。事实上，“探究磁感应强度定量实验”是目前高中物理教学中的一个实验难题。这一难题使教师失去了一个对学生进行科学研究方法教育的良好时机，同时也使学生失去了一个亲身体验科学研究过程的机会。多年来，很多物理教育工作者对“安培力定量实验”进行了研究并提出了许多改进方案，由于这些方案没有通过实验考察磁场对安培力的影响，所以利用它们进行“磁感应强度”概念的教学仍然存在缺陷。我们认为：要弥补这一缺陷，需要在原“安培力定量实验”的基础上加入磁场对安培力的影响的实验内容。因此，我们尝试设计一种全新的 “磁感应强度探究实验器”，希望可以达到以下目标：解决恒定匀强磁场安培力定量实验问题，通过定量实验数据分析，归纳总结出安培力大小的实验规律；能实现磁场对安培力的影响的定量实验，通过测量数据定量比较磁场强弱，用数据说明恒定磁场中的某处B与F，I，L无关；在实现以上功能的同时要有较高的实验精度，且操作简单，数据读取方便。

二、项目的开发与实现

1.主要结构设计

首先选择测量安培力的仪器。众所周知，在中学实验室所具备的条件下通过实验方式能够实现的安培力很小，为了能够演示和测量较小的安培力，我们选择利用天平结构。为了达到较高的实验精度，采用精确度为0.1克的电子天平，在精确测量时将力传感器与天平连接为一体。

根据安培力计算公式，获得较大的安培力须满足强磁场、大电流、长导线等条件。我们选用比较大的铁氧永磁体作为“匀强磁场”的场源；用绕制线框的方式增加通电导线的长度；用功率较大的低压开关电源供电以求其能够承受较大的电流。采用不同的磁铁组合形式改变磁场，用于探究磁场对安培力的影响；为了控制电路中的电流不过载并大小可调，利用串联限流的方法加装限流电阻和电位器；线框每绕相同匝数进行抽头，以便于调节通电导线的长度。以线框直接作为天平的横梁，这样既可以简化教具结构，又能增加实验的可信度；用直径较大的漆包线绕制线框，以尽量减小导线发热对电路产生的影响。考虑到线框四边都会受磁场的影响，为减小系统误差，线框的长度应能够将由此产生的误差控制在可接受范围内。

2.辅助结构设计

线框天平的刀口支架、电子天平的力传感器、分隔场源磁铁的固定挡块、控制面板盒、气泡水平仪、底座水平调节螺丝安装于底座上；电源、控制电路置于控制面板盒内；天平指针、自制钩码支架、天平横梁平衡调节滑块安装于线框上；天平平衡标志、开关、数字电流表、长度调节旋钮、电子天平显示控制板等置于控制面板上；对面板进行整体设计，达到操作控制方便、美观、可视性强等目标。

图1 磁感应强度探究实验器的设计效果图

3.教具成品的基本结构及主要部件的作用

我们制作出的磁感应强度探究实验器如图2所示。

图2 磁感应强度探究实验器

该实验器由底座、场源磁铁、电子天平、控制盒(兼面板)、电源、自制钩码等构成。底座上安装有天平支架、水平调节螺丝、气泡水平仪、磁铁隔离块、电子天平力传感器等；电源及控制电路置于控制盒内；面板上装有电源开关、数字电流表、电子天平显示屏、通电导线长度调节旋钮、电流调节旋钮、电流倒向开关等。

教具以导线框作为天平横梁，线框一边置于由场源磁铁构成的匀强磁场中，且与磁场方向垂直；另一边设有钩码支架，并可通过磁钉连接电子天平的力传感器；长度调节旋钮通过改变线圈匝数的方式改变通电导线的长度；电流调节旋钮用串联限流的方法控制线圈中的电流强度；数字电流表用于显示线框中的电流强度；电子天平屏幕用于显示安培力的大小(以“克力”为单位)；实验时还可以通过改变场源磁铁的组合方式改变磁场的强弱。表中的l表示在磁场中导线单位长度。

4.磁感应强度探究实验器的部分实验数据

表1 测量一个较弱的磁场

表2 测量一个较强的磁场

对以上数据分析表明：在匀强磁场中，磁场强弱发生变化前后实验规律并不发生改变，变化的只是比例常数B。这说明匀强磁场中某个位置B值的大小由场源决定，它与导线是否通电、电流的大小、导线的长度没有直接关系，B反映了磁场本身的属性。

实际教学中可以在“安培力定量实验”找到实验规律(F=BIL)之后，再探究实验规律表达式中的不变量：即某几个物理量的比值B。利用改变磁场强弱(或线框与场源相对位置)的方式探究比例常数B(磁感应强度)的变化对安培力大小的影响，强化“磁感应强度”概念。

以下数据是定量探究在恒定匀强磁场中垂直于磁场方向的通电导线受到的安培力(F)与导线的长度(L)、导线中电流强度(I)之间的数量关系，可用于分析安培力的实验规律。

表3 恒定磁场安培力相关量数据

导线长度L 电流强度I/A 安培力F/gf 0.1 1.9 0.196 3.9 0.294 6.0 0.4 8.1 0.492 9.9 0.622 12.4 2l

导线长度L 电流强度I/A 安培力F/gf 0.1 2.9 0.191 5.6 0.296 8.8 0.394 12.0 0.499 15.2 0.595 17.8 3l

三、教具的应用

使用前应注意：首先调节底座上的水平螺丝，使水平仪气泡处于中间位置；确保电源开关处于“关闭”状态，倒向开关处于“正向”位置；将电流调节旋钮逆时针旋转至其电阻最大，长度调节旋钮指向“0”位置；取下线框与电子天平力传感器间的磁钉，调节横梁平衡滑块使天平平衡。

1.简单应用

开启电源开关，数字电流表显示电路中无电流；长度调节旋钮旋至“1”位置，电流表显示电路中有电流通过，可见天平受到安培力作用而失去平衡；将一自制钩码轻轻挂于自制钩码支架上，调节电流调节旋钮使天平恢复平衡状态。

若要进一步粗略考察安培力与电流的关系，需记录电流强度的大小和钩码的数量；随后依次在自制钩码支架上轻轻加挂自制钩码，并调节电流强度的大小使天平再次恢复平衡。通过记录的数据能够分析出安培力的大小与电流强度大小成正比。

若要粗略考察安培力与通电导线长度的关系，需记录通电导线单位长度的倍数和钩码的数量；旋转长度调节旋钮依次改变磁场中通电导线的长度，并加挂钩码(必要时微调电流)使天平再次恢复平衡。通过记录的数据可以分析出安培力的大小与通电导线的长度成正比。

2.利用电子天平定量测量

用磁钉将天平横梁与电子天平的力传感器连接起来；开启电子天平，待电子天平示数为“0”后可利用“控制变量法”进行一系列定量实验：

在磁场和线框匝数不变的情况下，通过电流调节旋钮依次改变通电导线的电流强度，并记录安培力(以“克力”为单位)和相对应的电流强度值；通过数据分析(拟合曲线)可以得出实验规律：“F∝I”；在磁场不变的情况下，旋动长度调节旋钮依次改变通电导线的长度(必要时微调电流调节旋钮以保持电流强度基本不变)，记录相应的安培力和与其值对应的导线长度倍数值；通过数据分析(拟合曲线)可以得出实验规律：“F∝L”；综合以上实验结论找到垂直于磁场方向的通电导线所受安培力的实验规律：F=BIL，其中B为比例常数。对各组实验数据计算比例常数)，虽然F，I，L有所不同，但在一定的误差范围内比例常数均相同。

改变场源磁铁组合(改变磁场强弱)重复上述实验和数据处理会发现，安培力的实验规律依然成立，不同的是比例常数B发生了变化。

在一个恒定的磁场中，取不同的L，I值，测出对应的F值，计算各次的比值，可看到比值B都相同。改变磁铁组合，即改变线框所处的磁场的强弱，再做上述各项测量，求出的比值B与前次实验不同。这样就从探究实验发现：比值B反映了磁场本身的属性，从而建立起“磁感应强度”这一概念。

3.延伸应用

利用本实验器的同时调节电流和长度可在教学中渗透“电流元”概念：在自制钩码支架上挂2个钩码，通电导线长度选择“1”；调节电流使天平平衡；再将长度调节旋钮置于“2”并改变电流强度使天平恢复平衡，此时电流强度的数值基本为前次平衡时的一半；亦可利用长度减半电流加倍方式进行实验。实验结果表明：在一定的误差范围内电流强度与通电导线长度的乘积保持不变。

磁场的叠加：在用电子天平测量安培力的模式下，手持一块磁铁逐步靠近场源磁铁的过程中电子天平的示数会不断发生变化，说明外加的磁场对原磁场有影响。

磁感应强度大小与研究点相对场源的位置有关：取下所有场源磁铁后手持一块磁铁逐渐靠近线框的过程中，电子天平的示数也会发生变化。

四、结束语

历经两年多的设计开发与制作改进，磁感应强度探究实验器的应用达到了我们的预期目标，在使用中得到了多位任课教师和众多学生的认可和好评。我们希望大家通过本文了解该实验器，并提出宝贵的意见和建议，使它成为“磁感应强度”概念教学的利器。