可旋转匀强磁场实验平台的创新设计与开发

丁良峰

可旋转匀强磁场实验平台的创新设计与开发

丁良峰

中学物理有关电磁场方面的实验对于学生学习电磁学知识有着非常大的价值，但是现在常见的实验器材存在一些缺陷和不足，尤其是可产生匀强磁场的实验装置。为解决这一问题，笔者作为一名技术教师，结合专业背景，对可旋转匀强磁场实验平台进行了研究和技术创新，开发可旋转匀强磁场实验平台，对师生进行科学实验有着很大的帮助。

匀强磁场；可旋转平台；创新设计

一、问题的提出

探究安培力是高中物理学习电磁学的一个重要实验。现有的安培力的演示器材(如图1所示)，其演示效果并不理想，主要存在的问题是通电直导体没有完全在U形磁铁内部，磁场大小不一致，并且U形磁场产生的匀强磁场区域不是很大，大小、方向不能变化，同时通电导线的长度也不能变化。这很难让学生对安培力的定量关系(F=BIL)有一个深刻的认识。同样在其他的电磁实验中也同样存在着不能在一个较大空间的匀强磁场中进行实验，这样不利于培养学生的科学探究能力。

图1

二、方案的设计与平台的制作

1.理论依据

根据亥姆霍兹环形线圈(如果有一对相同的载流圆环形线圈彼此平行且共轴，通以同方向电流，当环形线圈间距等于环形线圈半径时，两个载流环形线圈的总磁场在轴的中点附近的较大范围内是均匀的)在中间区域可以产生匀强磁场的特点制作而成。该结构主要特点是：空间开阔，使用方便；磁场与供电电流有很好的线性关系；使用磁场空间有很宽的均匀区。在实验时，可以采用控制变量的方法进行，使原本中学阶段只能靠讲解或模糊实验变得越来越清晰，使得在进行磁场方面的教学时，实验现象更为科学、准确、严谨。

2.方案设计

根据中学物理电磁学部分实验的需要，制定了实验平台的设计要求。

(1)可以产生较大空间的匀强磁场。

(2)磁场的大小可以通过改变线圈输入电流的大小进行调节，实现线性关系。

(3)磁场的角度可以进行改变，实现360度旋转。

(4)在该平台中可以完成多个电磁学实验。

结合设计要求进行了实验装置的设计，设计了两个方案如图2、图3所示。

图2　方案一

图3　方案二

方案一和方案二都可以实现产生较大空间的匀强磁场，并且可以进行360度旋转。但是在进行安培力实验时，方案一中进行悬挂通电直导线会和线圈有交叉，两者会相互干扰，方案二则可以避免这个问题，因此最终选择方案二进行设计制作。

3.实验装置的制作

根据设计方案，选择漆包线、亚克力板、木条、铜箔胶带、接线柱、导线、铜管、螺栓、五夹板。使用的工具主要有激光雕刻机、塑料弯曲机、气钉枪、绕线机、电钻等工具进行加工其主要材料和加工工具如图4、图5所示。主要加工过程如图6～图11所示。

图4　制作材料

图5　加工工具

如图6所示，使用激光雕刻机加工圆环，将加工好的材料用气钉枪固定，并加502胶水进行加固，然后用直径0.7 mm的漆包线进行绕线，每个线圈绕线为240圈。如图7所示，使用激光雕刻机切割亚克力板，采用氯仿粘合剂粘结，制作装置框架结构。

图6

图7

图8　安装水平调节旋钮

图9　安装水平管

图10　组装

图11　完成制作

4.实践平台的特点及创新之处

可旋转匀强磁场实验平台是利用亥姆霍兹线圈可以在较大范围内产生均匀的磁场为基础，设计出一个可以较大范围内的匀强磁场。其主要特点是结构简单，磁场区域较大，并且无遮挡，便于进行实验以及实验现象的观察；在中间的实验平台中，设置了导线的插孔，方便进行不同的实验；两个亥姆霍兹线圈可以进行360度旋转，并且中间平台也可以进行旋转。

三、进行科学实验　探究装置设计的实用性

1.观察线圈内外磁场部分布情况，验证通电电流与产生磁场之间的线性关系

将小磁针分别摆放在线圈内部和线圈的正前方，观察其通电前后小磁针的指向情况。可以很好地验证右手螺旋定则，通电线圈的所产生的磁场方向为拇指方向。如图12所示，未通电时，小磁针受地磁场的影响成左右(南北)方向排列。如图13所示，通电后，小磁针主要受线圈产生的磁场力作用成前后方向排列。

图12

图13

为验证磁场与供电电流有很好的线性关系，实验过程中采用磁场传感器，输入电流从0.5 A，每次增加0.5 A，每次进行10 s采集数据，求得平均值，测得输入电流与磁通量之间的关系，如表1和图14所示。

表1

图14

实验数据表明，该装置可以通过改变通电环形线圈中电流的大小实现调节磁场的强弱的目的，而且两者大小之间有较好的线性关系。

2.定量进行探究安培力的大小影响因素，验证安培力与B，I，L之间的关系

(1)装置原理

图15为实验装置图。图16为实验原理图，其中O为转轴，mg 为线圈自身重力，H为转轴到水平刻线距离，线圈在转动时受到安培力力矩和重力力矩的作用，则转动平衡时有：

从图中的几何关系可以看出：tanθ=x/H，x为θ的正切线长度；

故有：X=l2H/mgl1。

所以，x∝ F安，即为指针与水平刻线交点到0刻线的距离，则θ角正切线长度x与F安大小成正比。

图15

图16

(2)探究安培力的影响因素，验证安培力与B，I，L之间的关系

在直导线线圈中电流I一定时，研究安培力F与B的关系。通电直导线电流I不变，改变磁场B的大小(通过改变环形线圈中电流的大小实现)，观察导线的运动情况。此次实验，通电直导线电流为0.3 A，环形线圈的通电电流按0.5 A递增，从实验可以明显看出，环形线圈的通电电流越大，通电导线的偏转角度越大。同样采取控制变量的方式来研究安培力F与I以及L之间的关系。可以得出直导线线圈电流I越大，安培力F越大。导线的长度越长(通过改变线圈的匝数来实现，分别为50匝、100匝、150匝)，所受到的安培力F越大(如图17所示)。

图17

保持亥姆霍兹线圈的通电电流为4.5 A时，所测得不同直导线线圈匝数时的通电电流与偏转距离之间的关系，因为x∝F安，从而可以得出安培力F安与直导线的通电电流、直导线的长度(即通过改变线圈的匝数来实现)之间的关系。

通过实验，我们可以清晰的得出结论，B∝F安，I∝F安，L∝F安，所以F安=BIL。

3.旋转磁场实验平台的其他应用

在电磁学的部分实验中，重要的是要提供一个较大空间的匀强磁场空间，以方便实验操作。该平台的设计可以满足很多实验的需求，如阴极射线管在磁场中的偏转，改变磁场的大小可以观察偏转幅度的大小；如改变磁场的方向，可以等效解决磁场叠加后电子束的运动情况。再如加上交变电流，可以演示电磁感应现象等。

四、创新实验教具的价值及其意义

创新实验教具的设计不是简单的仪器设备的仿制，要经过一定的思考、创意、构思和设计，是一项创造性的活动。同时，在教具的设计制作过程中，必然要涉及科学知识、生产工艺和新材料、新技术、新方法的使用。开发研究自制教具有着重要意义，这不仅可以改善实验教学的条件，而且对师生的实验动手能力，创新意识等科技素质的提高有很好的促进作用。

创新实验教具的设计，是教师针对教学过程中的重难点和不尽完善的实验而设计制作的教具，为实现其针对性和科学性，教师必须经过较长的时期的教学经验积累，产生对某一教具改进或创新设计，经历设计、选材、组装、实验、改进、再实验等一系列过程。教师在其制作及实验的过程中，既提高了教学水平，丰富了教学经验；又能增进学生对知识概念的理解，提高教学效果。同时教师的知识得到升华，能力得到检验，教师应有的素质得到培养和提高。

五、结束语

爱因斯坦说：“兴趣是最好的老师”。中学生富有好奇心和求知欲，是创新的内在动力。教师进行了创新实验教具的设计，势必会激发学生对科技产生兴趣。在遵循科学原则的基础下，师生共同动手制作教具，既可锻炼学生的实验、动手能力，又可培养学生爱科学、学科学的习惯，还可以开阔学生眼界、活跃学生思维、培养学生创新精神和创新能力。

[1] 王志斌,王琳,余金龙.定量探究安培力的创新设计[J].教学仪器与实验,2011(6):19-20.

[2] 徐忠岳.安培力定量演示装置的改进[J].中小学实验与装备,2008(1):28-29.

[3] 吴亿年,陈世谦,王双维.安培力定量演示器设计与实验研究[J].物理教师,2002(9):25-28.

丁良峰，本科，中教一级。江苏省苏州市西安交通大学苏州附属中学，215021