安培力探究式教学教具的制作

杜 倩 代 伟 蒋金华 彭钟樊 邹 勤

(西华师范大学物理与空间科学学院，四川 南充 637002)

教科版高中物理选修3-1中通过对“通电导体棒在磁场中受到力的作用”介绍了安培力方向、大小的相关知识.教材中提供了一个安培力演示仪,帮助学生理解安培力物理概念.但是该装置在进行课堂教学过程中存在一些不足之处,如不能进行定量探究安培力大小与通电导体长度的关系.通过改进,设计制作了“安培力方向演示仪”、“安培力大小演示仪”,“安培力应用”自制教具.教具操作简单,现象明显直观,实验效果好,有利于学生掌握相关物理知识,有利于安培力探究式教学的进行.

1 教材中的安培力演示仪

教材中提供了用来判断安培力方向以及探究安培力大小的实验装置(如图1).该装置是将直流电源与导体棒连接,在铁架上放置一个蹄形磁铁,当导体棒通电,通电导体在磁场中受到安培力后会运动,以此来判断安培力的大小和方向.

图1 安培力演示仪

该实验仪器存在的不足: (1) 判断安培力方向时,导体棒较重,当电流过小,磁场强度较弱时会导致实验现象不明显.(2) 探究安培力大小时,只能定性分析安培力与各因素之间的关系,无法定量探究.

2 自制安培力探究式教具

2.1 安培力方向演示仪

制作的安培力方向判断演示仪的结构如图2所示.

图2 安培力方向演示仪

(1) 操作步骤:将铜丝与直流电源连接,铜丝下端栓一轻质兵乓球,打开电源开关,观察竖直铜丝的偏转方向,记录实验现象.保持电流方向不变,改变强力磁铁的N、S极,观察竖直铜丝上小球的偏转方向;保持磁场方向不变,改变电流方向,观察竖直铜丝上小球的偏转方向.教师和学生一起共同分析通电导体在磁场中所受到的安培力方向与电流、磁场方向之间的关系,最后师生总结得出安培力方向的判断法则——左手定则.

(2) 优点:装置制作简单,小球偏转方向明显,可用于学生分组实验,进行安培力方向探究效果好,将教具设计成竖直放置有利于教学中学生观察.

2.2 安培力大小演示仪

(1) 实验装置.

安培力大小定量探究实验装置如图3所示.装置由直流电源,高精度电子秤,蹄形磁铁,塑料蹄形磁铁支撑架,金属导体棒等组成.需要特别说明的是对于蹄形磁铁来说由于磁性较弱为了增大磁感应强度B,在每个蹄形磁铁内部的一侧均放置一小块强力磁铁[如图4(a)];电子秤的秤盘是由金属导磁材料制成,在进行安培力实验测量时磁铁对秤盘会产生磁力作用,磁力对通电导体所受安培力的测量具有一定的影响,为此,把电子秤的秤盘的导磁金属装置改换成非金属装置[如图4(b)],电子天平秤测出的数据单位是g,要换算成N,使安培力测量研究能够更加的严谨和科学.

图3 安培力大小演示仪

图4

(2) 操作步骤.

在探究安培力F与各因素之间的关系时,用导线连接金属棒和直流稳压电源,电子天平秤按“去皮校准”,打开电源,观察各示数变化,实验现象记录.保持B、I不变,改变通电导体有效长度L,观察测量天平秤上的示数,依次增加蹄形磁铁个数改变通电导体有效长度L,将测量数据记录于表中;保持B、L不变,改变电流I的大小重复上次操作4次,将测量数据分别记录于表中;保持I、L不变,通过改变强力磁铁片的个数改变B,B的大小由磁传感器测量,观察天平秤上的示数,将测量数据记录于表中.

将记录在表格的数据转换成直线图进行定量分析,让学生仔细观察关系曲线,师生共同探讨总结得出F与I、L之间的大小关系,最后推导出F=BIL的数学表达式.

(3) 优点.

F的大小通过电子天平秤的示数转换得出,B、L、I也可以直接来调节,原理简单,易操作,现象明显直观,实验教具定量地探究得出的数据使得学生心服口服,有助于师生分析探究影响安培力大小与那些因素有关,有利于帮助学生利用所学知识解决实际问题.

3 安培力的应用自制教具

安培力应用自制教具是用纸喇叭播放音乐.用纸喇叭播放音乐的装置如图5所示,将手机播放的音频信号经音频信号放大器放大后接入纸喇叭就能听到动听的音乐,改变磁铁离喇叭的远近,改变信号的大小,改变纸喇叭上盘绕的漆包线的长短,纸喇叭的声音大小也随之改变.因为纸喇叭发声是纸片受到安培力这个策动力作用引起纸片振动而发声,F与B、L、I有关,所以改变磁铁离喇叭的远近(改变B),改变信号的大小(改变I),改变纸喇叭上盘绕的漆包线的长短(改变L),纸喇叭的声音大小也随之改变.这个教具制作的关键是纸喇叭的制作,其制作方法如图6所示.将一张打

图5 纸喇叭播放音乐的实验装置

图6 纸喇叭的制作

印有喇叭图案的A4纸贴满双面胶,然后用0.21 mm的漆包线均匀盘绕在双面胶上,漆包线的两头焊上铜片,最后用一张较软的宣纸盖住并与双面胶粘为一体纸喇叭就制作完成了.纸片也能唱歌、放音乐.将这一自制教具用于安培力探究式课堂教学能大大激发学生的好奇心、求知欲,加深他们对安培力F的大小与B、L、I之间关系的理解,使之记忆深刻,巩固所学知识,为安培力的应用打下坚实基础.

1 冷文秀,张默,贺艳丽,钟寿仙.安培力演示仪的设计与制作[J].物理与工程,2016,10(15):37-38.

2 汪维澄.安培力定量演示仪的设计与实验教学[J].湘南中学物理,2004,51:1-4.

3 张慧敏.用物理天平“秤”出安培力[J].物理教师，2009(30)：17-18.