对“磁场对通电导线的作用”一课的思考

刘　燕

(扬州大学 附属中学，江苏 扬州 225002)



对“磁场对通电导线的作用”一课的思考

刘燕

(扬州大学 附属中学，江苏 扬州 225002)

摘要：对人教版和教科版教材中关于安培力大小的测量方法进行比较，找出实际教学过程中存在的问题，并提出了两种测量安培力大小的方案：即将测量安培力大小转换成测量电流表偏转角和利用电子秤直接测量安培力大小.

关键词：安培力；磁场；电流；钕铁硼强磁体；电子秤

1问题的提出

文献[1]中2次提到了磁场对通电导线的作用力大小的计算表达式. 在“磁感应强度”一节中，使用图1所示的演示实验可定性探究影响通电导线受力的因素——电流大小、导线通电部分长度，所受磁场力的大小通过导线摆动的角度进行比较. 但在课堂演示时，往往由于摆角变化不明显、摆角位置难以记录、不能同时比较多次实验结果等限制，效果会大受影响. 而在“磁场对通电导线的作用力”一节则仅对已得到的结论进行讨论和拓展.

图1　定性探究影响通电导线受力因素的演示实验

文献[2]中“磁场对通电导线的作用——安培力”一节用图2装置对安培力大小进行定量研究，理论上可以通过弹簧测力计示数的变化计算出导体所受安培力的大小. 但实际操作时仍存在以下问题：1)理论上可探究安培力与电流大小的关系，导体通电长度的影响难以观察；2)实际操作时，由于通电导线所受安培力非常小，通常只有0.01 N左右，普通的弹簧测力计的精度(0.1 N)不能满足定量探究的需要. 实验时常会出现通电导线受到磁体吸引的现象，无法测量[3].

图2　测量安培力大小的实验装置

2解决问题的建议

针对上述问题，笔者在教学中做了一些思考和尝试，希望能对教学有所帮助.

2.1　转换法

图3　安培力大小转换为电流表偏转角度

安培力的直接测量有难度，可以考虑将安培力的大小转换成其他物理量进行测量，如可以转换为电流表偏转角的测量，实验装置图如图3所示. 线圈通过电流，在安培力的作用下指针发生偏转，静止时指针的偏转角与安培力大小成正比，即可以用指针的偏转角反映安培力的大小. 教学中可通过偏转角度间接反映安培力的大小，虽是半定量测量，但是效果明显；该装置不仅可以测量安培力大小与电流大小的关系，还可以反映电流方向与安培力方向的关系(由指针偏转的方向表示).

但该装置测量原理复杂，教学前的准备工作(原理讲解)较多；且只能测量安培力大小与电流大小的关系，与导体的通电长度、磁场强弱的关系无法测量. 另外该装置灵敏度较高，实验时应注意通入电流的大小，外接电路需谨慎设计，否则易损坏器具.

2.2　放大法

实验中通电导线所受安培力非常小，普通精度弹簧测力计无法测量. 为此可以尝试增大安培力的方法来提高测量仪器的精度.

磁场对通电导体的作用，安培力大小为F=ILB，实验时可以适当增大通电电流的大小I、导体的通电长度L、磁场强弱B. 实验时，电流大小和导体长度增大有限，而用磁性极强的钕铁硼强磁铁代替蹄形磁铁，可增强磁场的磁感应强度B，安培力的大小亦呈多倍“放大”.

为提高测量仪器的精度，可利用电子秤进行实验，本实验中采用的电子秤称量为200 g，感量为0.01 g. 转化为测力计，其称量为2 N，感量为0.000 1 N，能满足测安培力大小的需要.

测量时，将电子秤置于匀强磁场中，直导线放在电子秤的秤盘上，去皮归零后，闭合开关，电流通过直导线，读出电子秤的示数，其示数乘以10-2即为安培力的大小，单位为N.

将安培力探究仪与学生电源、电流表、保护电阻按图4所示电路图连接[3]，其实物照片如图5所示. 用它可以方便地定量探究影响安培力F大小的3个因素.

图4　实验电路图

图5　实验实物图

该方法原理简单，安培力的大小直接通过电子秤读出，教学效果好；仪器可直接得到安培力大小与电流大小、导体的通电长度的正比关系，同时还可以验证安培力方向的影响因素. 不过，电子秤过于灵敏，微小的干扰都会影响实验结果. 该装置能直接得出安培力的大小与电流、导体长度的正比关系，但与磁感应强度的关系只能有定性的结论.

3教学反思

“磁场对通电导线的作用”一课的重点是教师与学生一起探究影响安培力的因素及其关系. 该力有大小、方向；这又是一个特殊的“力”，电流、磁场、力都看不见、摸不着，如果让学生始终在想象里去探究，依据高中学生的思维特点，很容易产生思维疲劳. 这就需要教师在课前做好准备，一段精彩的引入显得尤为必要. 建议将教材中放置在章节最后的“安培力的应用”部分提至“引入”，告知学生安培力在实际生活生产中的用途，不仅可以激发学生的学习兴趣，让他们感觉学有所用，更有承上启下的作用，在介绍完安培力后分析实际的电动机、电流表的原理，相信学生对安培力的理解更加顺其自然.

参考文献：

[1]张大昌. 普通高中课程标准实验教科书——高中物理(选修)(3-1)[M]. 2版. 北京：人民教育出版社，2007：83-93.

[2]陈熙谋. 普通高中课程标准实验教科书——高中物理(选修)(3-1)[M]. 1版. 北京：教育科学出版社，2006：84-87.

[3]方红霞. 定量探究磁场对电流作用的实验设计[J]. 教学月刊，2014(2)：70-72.

[责任编辑：尹冬梅]

Thinkings on the effect of magnetic field on the current-carrying wires

LIU Yan

(High School Affiliated to Yangzhou University, Yangzhou 225002, China)

Abstract:By comparing the measurement methods of Ampere force in different teaching materials, the problems in practical teaching were found out. Two schemes of measuring Ampere force were present. First, a device was designed by observing the angular deflection of ammeter to judge the strength of Ampere force. Second, another device was designed to use electronic scales to measure directly the strength of Ampere force.

Key words:Ampere force; magnetic field; current; neodymium iron boron; electronic scale

作者简介：刘燕(1984-)，女，江苏盐城人，扬州大学附属中学一级教师，硕士，从事高中物理教学.

收稿日期：2015-09-22

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)02-0042-03