探究安培力大小的实验装置的设计

张佑良 冯霞

摘 要：笔者认为中学物理教材中“探究影响安培力大小因素”的实验需要进一步改进与完善。笔者对此进行了改进，改进后的实验装置操作方便，現象明显，在直观性和科学性上都有较大提高。

关键词：安培力；导线框；蹄形磁铁

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）4-0050-2

1 传统安培力实验装置

“磁场对通电导线的作用——安培力”内容的重点是定量探究安培力大小与各量的关系，课本配有演示实验图。该实验装置的设计思想是：当有电流通过导体时导体将发生偏转，通过偏转的角度来比较导体所受安培力的大小，其电流大小通过外电路控制，还可以分别接通2、3或1、4，从而改变通电导线在磁场中的长度，依据控制变量法来探究电流I以及通电导线长度L对安培力的影响。

许多作者都提出过改进的建议，笔者也认为该实验描述过于简略，需要进一步改进与完善。

2 安培力实验装置的改进

2.1 实验改进

（1）通电导线

用塑料铜芯导线框（外径0.90 mm，内部铜芯直径0.40 mm）代替通电导体棒（如图1）。其特点是：质量非常小，有一定强度不易形变，受安培力后偏转明显，而且取材十分方便，网线、数据线中都可以用。

（2）量角装置

如图1，在竖直的硬纸板上根据画出的一个半径为12 cm的量角器，直接读出线框通电后在磁场中的偏角。

（3）磁场

马蹄形磁铁中间部分的磁场并非理论上的“匀强”，线圈静止在不同的位置磁场是不同的[2]，若采用使两块磁铁的同性磁极紧紧挨住[3]则中间区域基本可视为匀强磁场。本实验为提高精度，专门利用蹄形磁铁的中央特定区域来提供匀强磁场，如图2所示。

（4）实验装置的制作

实验装置实物如图3所示。将一小木棒固定在一块纸板上，小木棒上包有导电性能良好的铝箔，导线框圆环套在铝箔上，铝箔接电源正负极后，则导线框通电。

2.2 实验原理

（1）探究安培力大小

通有电流I的导线L在磁场B中所受的安培力为F安=BIL

根据实验装置可知（如图4）：

F安=mgtanθ=ILB

因此，只需测算出tanθ 与I、L的关系即可得到F与I、L的关系。通过改变滑动变阻器控制电流大小，记录相应的线框偏角，可得到安培力与电流的关系。保持电流不变，再增加若干对磁铁，可改变通电导线在磁场中的长度，记录相应的线框偏角，可得到安培力与导线长度的关系。

（2）探究安培力方向

保持磁场方向不变，改变电流方向，或保持电流方向不变，改变磁场方向都可观察到线框偏转方向发生变化，由此也可用作演示探究安培力方向的实验。

3 总 结

本文主要针对课本实验装置现象不明显，对科学性问题进行改进，以提高安培力实验的直观性和科学性。该实验装置有如下特点：

（1）成本低且便于制作

实验仪器是硬纸壳、塑料铜芯细导线、木筷等生活中随处可得的材料。除此之外，电源（电池或学生电源）、导线、滑动变阻器、电流表（普通电流表或示教电流表）是普通学校物理实验室都配备的基本仪器。总的来说该实验装置的优点在于取材简单方便，成本较低。

（2）实验现象明显

通过实际操作发现现象十分明显（最大摆角可达30°以上），操作便捷，准确性较高，可以作为定量探究安培力大小与电流和通电导线长度的关系的实验装置。

（3）用途较广

该实验装置可以定量探究出安培力与电流I、通电导线长度L的关系，对得出安培力的公式F安=ILB有很大帮助，提供了科学依据，还可以用来探究安培力方向与电流方向、磁感应强度方向的关系，得出左手定则，同时能够激发学生的实验热情，培养学生的科学探究能力。

参考文献：

[1]方剑，王志斌，刘卫东.自制“定量探究安培力的实验装置”[J].实验教学与仪器，2015，32（7）：105-107.

[2]徐小飞.“定量”探究影响通电导线受力的因素[J].中学物理， 2015， 33（21）：55-55.

[3]郭力强.用多块蹄形磁铁模拟匀强磁场——对演示实验“磁场对电流的作用力”的几点改进意见[J].物理通报， 2005（11）：60-61.