安培力定量分析演示仪的改进

王玉涵，代 伟，罗 洁，邹 勤，王 丹

(西华师范大学 物理与空间科学学院，四川 南充 637002)

安培力定量分析演示仪的改进

王玉涵，代 伟，罗 洁，邹 勤，王 丹

(西华师范大学 物理与空间科学学院，四川 南充 637002)

对现有安培力演示仪进行了改进，利用可调直流电源改变电流的大小和方向，通过对调磁极可改变磁场的方向，通过移动磁极之间的距离可改变磁场的强弱，通过改变线圈抽头接线柱可改变通电导体的长度. 利用该仪器可定量探究安培力的大小和方向与通电导体长度、电流的大小和方向以及磁场强度的关系.

安培力；定量分析；力传感器

“安培力——磁场对通电导线的作用力”是高中物理中重要的概念，因为磁感应强度的概念是建立在安培力基础上的，在涉及到电磁感应的各章也都出现安培力的概念[1]. 同时利用安培力的电器设备在生活和生产中有着广泛的应用，所以安培力是高中物理的知识核心[2]. 新课标对安培力的教学要求为：通过实验认识安培力，并会判断安培力的方向，学会计算匀强磁场中的安培力大小[3]. 鉴于此，定量探究安培力的实验是教学的重要内容. 为了达到定量分析探究安培力的目的，笔者对现有安培力演示仪进行了改进. 改进后的仪器能很好地突破安培力定量探究这一教学难点，并且仪器具有操作简单、实验结果精度高等优点.

1 原有安培力演示仪存在的不足

高中物理教科版(选修3-1)[1]第3章第2节对安培力的实验探究中教材给出的演示装置如图1所示，运用装置可验证磁场对通电导线有力作用，即安培力存在，仪器可定性地演示安培力与电流及磁场强度可能的关系. 但由于装置本身的缺陷及测量仪器灵敏度不高，无法定量地探究安培力与导线长度、磁感应强度、磁场与电流方向的正弦值的关系，然而定量地探究并得出安培力与电流、磁感应强度等物理量的对应关系是本节课的教学重点，所以需要对演示装置进行改进文献[3]在一定程度上弥补了教材演示装置的不足，但在实验过程中需要更换测量线圈，通过调节滑动变阻器改变电流大小，需要串联电流表测量电流大小，不便操作. 实验装置也无法直接探究测量当通电导体与磁场成一定的夹角θ时安培力与θ的关系，所以该仪器也明显存在不足.

图1 安培力演示装置

2 改进的安培力演示仪

针对原有安培力演示仪的不足，笔者制作了安培力定量分析探究演示仪，其结构如图2所示. 仪器有一底座，底座上安装有固定力传感器的支架，有抽头的线圈悬挂在力传感器上，悬挂线圈时要让线圈不能转动，线圈的抽头引到底板的接线柱上(抽头有500，700，900，1 100匝). 在底座上安放了刻有角度的圆形转盘，圆盘可绕圆心转动. 2块方形磁铁(15 cm×10 cm)通过有机玻璃框隔开安放在圆形转盘上，测量线圈置于磁场中，需要时可让磁铁绕中心旋转，磁极之间的间距通过更换不同宽度的有机玻璃框(宽度有5 cm，7.5 cm，10 cm，12.5 cm，15 cm)来实现.

图2 安培力定量分析探究演示仪

3 实验探究

安培力定量分析探究演示仪可定性探究安培力的存在及方向，还可定量探究安培力与通电导体的长度、电流的大小、磁场的强弱以及安培力与电流与磁场成θ角时的关系.

1) 定性探究安培力的存在以及与电流、磁场的方向关系.

将可调直流电源正负极分别与所选接线柱相连，力的传感器通过数据采集器与计算机相连(调零)，线圈底端与磁场方向垂直，当线圈通电后观察力传感器示数变化，可知磁场对通电导线具有力的作用. 保持磁铁位置不动改变电流的方向，或电流方向不变对调磁铁位置，力传感器示数由正变负. 由于安培力、电流、磁场3者方向遵从左手定则，力传感器示数由正变负说明安培力的方向发生改变.

2) 定量探究安培力与电流大小的关系.

保持接入的线圈匝数(500匝,导线长50 m)和2块磁铁间的距离(10 cm，磁感应强度为27.2 MT)不变，线圈与磁场垂直，通过可调电源改变通过调节线圈的电流I的大小，记录相应的安培力F的数值(如表1所示)，通过WPS数据处理可得电流I与安培力F的关系图作图如图3所示.

表1 安培力F随电流I的变化

图3 安培力与电流关系图

3) 定量探究安培力与导线长度的关系.

保持2块磁铁间的距离(10 cm，磁感应强度27.2 MT)及电流大小不变(0.2 A)，线圈处于与磁场垂直状态，改变接入的抽头线圈接线柱(抽头分别为500,700,900,110匝)，改变接入的导线长度L(L=50,70,90,110 m)，记录相应安培力F大小(如表2所示)，由WPS画出安培力与导线长度关系图，如图4所示.

表2 安培力F随通电导体长度L的变化

图4 安培力与导线长的关系图

4)定量探究安培力与磁场强度的关系.

保持接入电流(0.2 A)及介入线圈匝数不变(500匝，L为50 m)，线圈仍与磁场垂直. 将强磁铁用宽度分别为5,7.5,10,12.5,15 cm的有机玻璃盒隔开(用磁传感器依次测出5种距离中磁场区的磁感应强度，分别为0.018 4,0.225,0.027 2,0.321,0.038 9 T)，有所得数据如表3所示，作图如图5所示.

表3 安培力F随磁感应强度B的变化

图5 安培力与磁感应强度关系图

5)定量探究安培力与电流、磁场夹角的正弦值关系.

电流值输入为0.2 A，接入500匝线圈(导线长为50 m)，磁铁用10 cm的有机玻璃盒隔开(磁场区磁感应强度为0.027 2 T)，通过旋转磁铁所在的刻度转盘改变磁场与电流的夹角，记录相应安培力的值如表4所示，作图如图6所示.

表4 安培力F与电流与磁场夹角正弦值sin θ的关系

图6 安培力与角度正弦值关系图

通过控制变量法定量探究F与B,I,L以及sinθ之间的关系，根据实验所测数据作F与B,I,L及sinθ的关系图，得到正比例图线，说明安培力与所探究物理量均为正比关系. 即

F=BILsinθ.

4 仪器优点

1)该演示仪通过力传感器自动记录安培力大小，因力传感器灵敏度较高，可测得微小力的变化，提高了实验的精度.

2)实验仪底座上安有角度转盘，只要转动角度转盘即可改变电流方向与磁场方向夹角，调节方便.

3)通过可调直流电源改变电流大小或方向，方便快捷. 通过插拔不同接线柱来改变线圈匝数从而改变通电导线长度，操作简便.

4)使用该演示仪可以单独研究某一变量对安培力大小的影响与关系，测量准确，能测出准确的实验数据，进而实现定量探究的目的. 同时，实验仪原理清晰，结构简单，演示效果明显.

[1] 人民教育出版社课程教材研究所,物理课程教材开发中心. 普通高中物理课程标准实验教科书·物理(选修3-1)[M]. 北京:人民教育出版社,2004.

[2] 董罕婵. 高中部分教具的改进及效能的研究[D]. 上海:上海师范大学,2011:22-23.

[3] 汪维澄. 安培力定量演示仪的设计与实验教学[J]. 中国现代教育装备,2013(2)：40-42.

[责任编辑：尹冬梅]

Improvement on the demonstration instrument forthe quantitative analysis of Ampere force

WANG Yu-han, DAI Wei, LUO Jie, ZOU Qin, WANG Dan

(School of Physics and Space Science, China West Normal University, Nanchong 637002, China)

In view of the deficiency of the existing ampere force demonstration instrument, an improvement and innovation were carried out. In the new instrument, the strength and direction of the current were controlled through a DC power; the direction of the magnetic field was changed by exchanging the position of the magnetic pole, its strength was adjusted by adjusting the distance between the poles; the electrified conductor length was controlled by changing the coil tap terminal. This instrument could be used to quantitatively investigate the factors affecting the Ampere force, that were the length of the electrified conductor, the size and direction of the current, and the strength the magnetic field. In addition, the magnet was placed on rotary chassis with angle indicator. With this chassis, the effect of the angle between the conductor and the magnetic field on the Ampere force be explored without moving the coil.

Ampere force; quantitative analysis; force sensor

2016-11-05

四川省研究生教育改革创新项目(No.445001)

王玉涵(1993-)，女，四川西昌人，西华师范大学物理与空间科学学院2016级硕士研究生，研究方向为学科教育研究.

代 伟(1964-),男,四川遂宁人，西华师范大学物理与空间科学学院教授，学士，主要从事大学物理实验教学与研究.

G633.7

A

1005-4642(2017)04-0056-03