几种定量探究磁场对电流作用的方法

赵小军

(苏州工业园区第一中学,江苏 苏州 215006)

1 实验背景

图1 安培力演示实验

通过演示实验研究磁场对电流的作用,在初中和高中物理教材中都有体现．初中阶段对本实验定位于定性演示,而高中阶段则对实验的定量研究提出了要求,但是仔细审视多个版本高中教材中的实验方案,均不能较精确地实现定量探究,如在人教社2010年版的普通高中《物理》选修3-1教材中,提供了如图1所示的实验方案,使用该方案也只能进行半定量探究．为此,梳理分析可以定量研究磁场对电流作用的实验方法,对丰富教师的实验视野、启迪教师开发创新实验、实现课堂教学中学生的深度学习均具有一定的现实意义．本文作者研究了部分测量安培力的实验仪器和实验方案的原理,根据测量的方式分类整理出来如下4种主要方法．

2 实验方法

2.1 电流天平法

根据通电导线在磁场中受力的原理,可以制成灵敏的电流天平(图2甲),依据力矩平衡条件,测出通电导线在磁场中受力的大小．如图2乙,电流天平平衡后,左端钩码的重力等于右端通电导线

图2 电流天平原理图

所受安培力的大小,通电导线周围磁场磁感应强度B与螺线管中电流I0的大小成正比．测量记录好螺线管中电流I0大小、通电导线中电流I大小、钩码重力,可以实现定量探究安培力、电流、磁场之间的大小关系．但是电流天平法只适合研究磁场和通电导线垂直的情况．

2.2 电子天平法

图3 电子天平应用基本原理

基本原理如图3,采用精度较高的电子天平可以测量一定匝数导线所受重力以及受到安培力后的变化值．将导线绕制成长方形线框,测量时导线框一边置于匀强磁场中(磁场由励磁线圈产生,通电线圈宽度小于励磁线圈安装于支架上),线框另一边固定在支架上放于电子天平上．闭合开关,电流通过直导线,读出电子天平示数的变化量即为安培力的大小．电子天平法可以定量探究不同磁场下通电导线中电流与所受安培力之间的关系．

如果增加圆形角度定位盘,将定位盘固定粘在电子天平上,通电线圈放在定位盘上并使线圈轴心穿过定位盘圆心,通过改变线框与定位盘的角度还可以研究磁场与通电导线夹角由0到π变化过程中安培力的变化规律．

2.3 转换法

转换法实验装置(如图4甲)结构分为:水平放置的亥姆霍兹线圈(产生竖直方向匀强磁场)、矩形通电导线框、支架以及刻度盘．矩形线框一端带有转轴至于亥姆霍兹线圈的中间,转轴固定在支架上并装有刻度盘,当矩形线框不受安培力时静止在竖直面,矩形线框受安培力会绕轴转动,平衡后可以读出线框离开竖直位置的距离x．

(甲) 转换法装置图

(乙) 转换法原理图

在实验过程中通过调节亥姆霍兹线圈中电流的大小来调节矩形线框周围磁感应强度大小,线框下边在磁场中的部分为通电导线段,通电后安培力水平向左或是向右．工作原理如图4乙,矩形线框在通电后受安培力矩和重力力矩的作用,平衡时有mgL1sinθ=F安L2cosθ,可得F安∝tanθ，从图4乙中可以看出H不变,tanθ∝x,故F安∝x．转换法可以通过测量x确定安培力变化情况．

如果图4甲中亥姆霍兹线圈可以绕水平轴转动,并在轴的侧面装有角度定位圆盘,通过角度圆盘定位亥姆霍兹线圈由水平转过的角度记录磁场与竖直方向的夹角,可以研究磁场与通电导线夹角由0到π变化过程中安培力的变化规律．转换法可以定量研究影响安培力各要素之间的关系．

2.4 DIS传感器法

课堂演示过程中也会出现演示仪器的可视范围小,不利于观察的情况．为了让学生在实验中更好地理解安培力以及相关的影响因素,引入DIS传感器可以使显示更直观,提高了课堂效率．如图5,通过励磁线圈产生匀强磁场,长方形多匝通电线圈受安培力,实验中将受力边与力传感器相连接,平衡后力传感器的示数就是安培力的大小．在匀强磁场中也可以引入磁传感器,读出线框周围的磁感应强度．借助传感器的读数可以实现定量探究安培力、电流、磁场之间的大小关系．

图5 传感器应用原理图

文中介绍的4种方法各有优劣,可以在定量探究安培力大小的教学中,根据教学条件和教学设计选择适合的,也可以将不同方法进行组合创造更适合的新方法．梳理定量研究安培力的基本实验方法,结合课堂实际创新性地引入各种仪器和方法可以大大地提高课堂效率和实验效果．