安培力演示仪的设计与制作

冷文秀 张 默 贺艳丽 钟寿仙 陈少华

(中国石油大学(北京)油气光学探测技术北京市重点实验室，北京 102249)

安培力演示仪的设计与制作

冷文秀 张 默 贺艳丽 钟寿仙 陈少华

(中国石油大学(北京)油气光学探测技术北京市重点实验室，北京 102249)

安培力是中学及大学物理教学中的重要章节,在课堂教学中广泛使用安培力演示仪演示安培力,验证左手定则.我们设计并制作了一种安培力演示仪，其主要由线圈、磁铁、电池和底座构成，通电后线圈在安培力的作用下可持续转动.它不仅可以用于安培定律演示，还可以用于刚体定轴转动现象演示.该演示仪具有制作成本低廉、装置尺寸大、 演示效果好、轻便易携和操作简便等优点，有望在中学及大学的物理课堂上广泛应用.

安培力；教学；演示仪

安培力是中学及大学物理教学中的重要章节，目前被大家普遍接受并广泛应用的安培力演示仪如图1所示.

该装置使用直流电源，接通回路后，载流导体棒会发生摆动.观察载流直导体在磁场中受力的情况，引导学生通过分析载流直导体在磁场中受力的方向与磁场和电流的方向三者之间的关系，验证判断安培力方向的左手定则，达到很好的教学效果.但是因为电路中电流不能太大，蹄形磁铁的磁感应强度很小，导体棒受到的安培力很小，而且导体棒较重，在很小力的推动下，导体棒轻微摆动.针对传统安培力演示仪的缺点，人们对其进行改进，研制出很多新型的安培力演示仪器[1-4].

图1 传统的安培力演示装置

走马灯，汉族特色工艺品，属于灯笼的一种，灯内点上蜡烛，蜡烛产生的热力造成气流，气流流过灯笼顶部的叶轮，叶轮受力对中心轴产生力矩，令叶轮转动.受走马灯旋转原理的启发，我们设计了新型安培力演示仪.独特的结构设计使安培力演示仪像走马灯一样持续旋转，演示装置尺寸大，实验现象表明，课堂教学效果好.

1 仪器结构

制作的安培力演示仪的结构如图2所示，为了便于探究影响安培力方向和大小的因素，笔者制作了3种形状的线圈.图2(a)所示的单线圈安培力演示仪主要用于分析影响安培力方向的因素，图2(b)所示的均匀螺线管和图2(c)所示的塔形螺线管安培力演示仪主要用于分析影响安培力大小的因素.其主要构造：

(1) 圆柱形钕铁硼永磁体：提供强磁场;

(2) 电源：由5个1.5V干电池串联而成;

(3) 螺线管、单线圈：由铜丝绕制而成;

(4) 底座：起稳定装置作用.

线圈通电后由静止到加速旋转再到匀速旋转.

2 原理分析

本实验的基本原理为置于磁场中的载流导线在安培力作用下发生运动.

具体分析如下：

2.1 基本原理

在磁场中，当导线通电时，导线中形成电流的大量定向运动的载流子在磁场中要受到洛伦兹力的作用，其宏观效果将表现为载流导线受到磁场的作用力，载流导线受到的磁力称为安培力.

一段有限长载流导线L受的安培力为

(1)

2.2 磁场分析

本实验所用的永磁体是圆柱形钕铁硼永磁体,上下端分别是N、S极.其磁感线分布如图3所示.

2.3 受力分析

下面我们以单线圈为例分析线圈在磁场中的受力状态，如图4所示，线圈两侧受力方向相反,对其竖直中轴线产生力矩，因此可以使单线圈围绕其竖直中轴线旋转.

图2 (a) 单线圈安培力演示仪(与永磁体接触的位置的线圈做成的是半圆形，将永磁体包住); (b) 均匀螺线管安培力演示仪; (c) 塔形螺线管安培力演示仪

图3 永磁体磁感线分布

图4 单线圈受力分析(图中·×表示安培力方向)

通电均匀螺线管和塔形螺线管上的任一电流元所受的安培力都对竖直中轴线产生力矩，因此其可以绕竖直中轴线旋转.

2.4 运动分析

线圈通电后由静止到加速旋转再到匀速旋转.下面对这个过程作详细分析.

当连通回路后，单线圈受到安培力F和与电源正极、永磁体的摩擦力f，因为安培力的力矩大于摩擦力的力矩,所以单线圈由静止开始作加速运动，由刚体定轴转动定律可求得其加速度为

(2)

式中，M1是安培力对转轴的力矩；M2为摩擦力对转轴的力距；J为线圈对轴的转动惯量；M1的大小是变化的，而使线圈转动加速度改变.

M1的大小变化的原因是线圈中通过的电流I总变化，I总之所以变化是因为实际制作的线圈的形状及磁场的分布对转轴都是不对称的，使线圈在旋转过程中通过线圈的磁通量发生变化，产生了电磁感应现象，进而产生感应电流，由楞次定律可知感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因，可判定感应电流方向与回路中由电源产生的电流I方向相反，所以总电流I总=I-I感应.线圈由静止转动之后，由于感应电流的存在，I总变小，线圈受到的安培力减小，M1变小，由式(2)可知，加速度会逐渐变小直到为零，此时达到平衡状态，即安培力F的力矩M1与摩擦力f的力矩M2大小相等，方向相反，合力矩为零，线圈做匀速转动.

3 教学示范

首先，通过改变电源正负极和磁场方向研究了影响安培力方向的因素，其次通过均匀螺线管和塔形螺线管的对比，验证了安培力大小与磁感强度成正比.如果需要，我们演示仪也可以在回路中串联一个滑动变阻器，来研究电流大小对安培力大小的影响.

表1 实验操作与相应现象

续表

4 展望

我们设计的安培力演示仪非常适合应用于教学，可以在中学及大学的物理课堂上广泛应用.其技术说明如下：

(1) 独特的结构设计使安培力演示仪像走马灯一样持续旋转，演示装置尺寸大，演示效果好.

(2) 一仪两用，不仅可以用于安培定律演示，还可以用于刚体定轴转动演示.

(3) 演示安培定律时，不仅可以演示安培力的存在，还可以演示影响安培力方向和大小的因素.

(4) 仅需5号电池作为系统的供电装置，制作成本低.

(5) 构造简单，轻便易携，不易损坏.

综上所述，此实验装置非常适合课堂教学使用.

[1] 吴亿年,陈世谦.安培力定量演示仪[J].物理实验,2001, 21(12)：27-28.

[2] 程柏.新型安培力驱动演示器[J].中学物理, 2014,32(17):55.

[3] 叶祥胜.改进型安培力演示器的制作和演示[J].物理通报,2013(11):69-70.

[4] 陈锋. 探究安培力的方向演示实验的改进[J]. 实验教学与仪器,2013(7):47.

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THE DESIGN AND FABRICATION OF THE AMPERE FORCE DEMONSTRATING INSTRUMENT

Leng Wenxiu Zhang Mo He Yanli Zhong Shouxian Chen Shaohua

(Beijing Key Laboratory of Optical Detection Technology for Oil and Gas, China University of Petroleum, Beijing 102249)

Both in high school and college physics, the Ampere force is an important section. During the teaching process, the Ampere demonstration device is utilized to demonstrate the Ampere force and certify the left-hand rule. The Ampere force in the demonstration system state-of-art is not very obvious, which is unsuitable for the lecture experiment of college physics. A novel Ampere force demonstrating instrument has been designed and performed in this article. It is composed of a ring, magnet, battery and basement, where the ring can continually rotate for the Ampere force, instead of once a time, when the current is switched on. At the same time, the fixed axis rotation of the rigid body can be demonstrated properly by the rotating ring. Meanwhile, it has many advantages, such as low cost, portability, easy operation, and is expected to be widely applied in the physical teaching process.

Ampere force； teaching processing； demonstrating instrument

2015-11-12；

2016-03-02

中国石油大学(北京)优秀青年教师研究项目(2462015YQ0603).

冷文秀，女，副教授，主要从事大学物理、物理实验教学及相关研究.lengwenxiu@126.com

陈少华，女，副教授，主要从事大学物理教学科研工作，研究方向为光纤传感.shchen@cup.edu.cn

冷文秀，张默，贺艳丽,等. 安培力演示仪的设计与制作[J]. 物理与工程，2016，26(5)：37-39.