深度挖掘实验资源精准判断安培力方向

罗慧

摘 要：“安培力的方向是否就是金属棒（线圈）的运动方向”，对于学生提出的质疑，利用力传感器、电子台秤等实验器材在原有的实验基础上进行改进。共设计了四套实验方案，从不同的角度判断了安培力的方向。解决问题的同时，关注学生批判性思维的培养。

关键词：实验改进；实验资源；安培力方向

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）7-0065-3

安培力的方向是《通电导线在磁场中受到的力》一节中的重点，通常是根据导体在磁场中的运动方向来判断安培力的方向，并通过探究實验得到左手定则的规律。常用的实验有两种：图1实验器材中的导线受力后发生摆动；图2实验器材中的金属棒受力后水平运动，得到的结论是安培力沿水平方向。人教版教材中“改变导线中电流的方向，观察受力方向是否改变”[1]也是这样安排的，即观察安培力的方向就是观察运动方向。有学生提出质疑：导体运动的方向一定就是安培力的方向吗？如图3所示，如果运动的方向向右，安培力的方向可以倾斜向上，也可以是倾斜向下。稍作分析我们就知道在这样的实验器材下，导体除了受到安培力、重力外，还受到导线或金属导轨的弹力，导体运动的方向应该是合力的方向，不一定就是安培力的方向。

能否在原有的实验基础上，重新设计或者对实验进行改进，解决学生的质疑和困惑，准确判断安培力的方向。在日常教学实践的基础上，笔者与学生一边探讨，一边实验，总结提炼出以下四种方案，抛砖引玉，供同行探讨。

1 方案一

实验器材：将磁铁及力传感器按图4位置固定在铁架台上（未画出），线框用细线固定，挂在力传感器上，让最底部一段导线在U型磁铁内，保持静止，对传感器进行调零。

实验现象：通电后，力传感器读数发生变化，线框未出现摆动。

判断依据：通电前，线圈处于平衡状态，水平方向不受力。通电后，力传感器读数发生变化，说明磁场对通电导线有力的作用。线框没有摆动，说明安培力的方向在竖直方向上。若读数为负值，安培力方向向上；若为正值，安培力方向向下。

在传统实验1和安培力DIS定量实验[2]的基础上的改装，体现了教育技术的应用，通过传感器数据的变化和观察线框的摆动情况来确定安培力的方向，有较强的说服力，需要有较高的实验操作水平。

2 方案二

实验器材：将磁铁及金属导轨按如图5所示位置固定，撕一段细铝箔片，长度比金属导轨宽度略长。在U型磁铁内将铝箔片两端分别固定在两根金属导轨上。

实验现象：通电后，铝箔向右发生明显形变。

判断依据：铝箔片固定在金属导轨上，中间部位仅受重力的作用。通电后，处在磁场中的铝箔片受到安培力，因为其长度比导轨宽度略长，在合力的作用下，铝箔片发生明显弯曲，弯曲的方向即合力的方向。又因为铝箔片质量极轻，重力相对安培力可以忽略，可以得到结论：安培力的方向水平向右。

力是使物体运动状态发生改变的原因，也是使物体发生形变的原因，在传统实验2的基础上，进行小小的改进，通过观察铝箔的形变方向来判断安培力的方向，操作简便，现象直观。

3 方案三

实验器材：如图6所示，线圈固定在门形支架上，支架固定在铁架台上（未画出），让线圈最底端的导线放置在高精度电子台秤（0.01 g）上的U型磁铁内，台秤显示读数为磁铁对台秤的压力。

实验现象：线圈通电后，电子台秤的读数未发生改变。

判断依据：通电后，磁场中的通电导线受到安培力的作用，由于线圈固定，不会发生运动。根据牛顿第三定律，导线也会给磁铁力的作用，方向与安培力方向相反。若安培力的方向斜向上，或者斜向下，则其在竖直上的分力不为零，电子台秤的读数在通电后会发生变化。实验现象中，台秤的读数并未改变，可以判断安培力沿水平方向。

从传统实验依据运动方向来判断受力方向，改为从数据的变化上理解、判断，材料简单，原理清晰，结合旧知，有利于学生科学思维的培养。

4 方案四

实验器材：所需器材与方案一相同，将力传感器、细绳、线框、磁铁按图7固定（放置），记录通电前力传感器的读数。

实验现象：通电后，线框整体发生偏转，稳定后力传感器读数与通电前读数一致。

判断依据：如果安培力方向斜向上或斜向下，则其在竖直方向上的分力会使力传感器的读数发生变化。实际实验中线圈通电前保持静止，力传感器读数等于线圈重力，通电后，线圈在安培力的作用下发生偏转。平衡后细绳拉力大小发生变化，但由于安培力在水平方向，因此拉力沿竖直方向的分力大小不变，大小等于重力，又因为力传感器竖直放置，只能测量沿着力传感器测量杆方向上的力，这个力等于拉力的竖直分力，所以力传感器的读数没有发生变化。

该方案是传统实验1的升级版，通过直观观察线圈摆动，利用数据判断安培力的方向更有说服力，但对力传感器的读数变化判断是否存在竖直方向的安培力分量的理解相对较难，实验前教师需将判断依据讲解到位。

日常教学中，实验环节往往成为教师的表演，“假探究”“程序性实验”限制了学生的思考，特别是批判性思维被严重遏制。当学生提出质疑后，笔者与学生共同探讨，进一步挖掘实验资源，证实了原实验中安培力方向与运动方向的关系，引导学生听从证据的指导，考虑所有的可能性，用自己的经验和事实去重新审视已有的观点是否有逻辑、有道理，有利于学生科学探究能力的培养。

参考文献：

[1]人民教育出版社课程教材研究所.普通高中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，2010.

[2]丁焕平，张英.利用DIS定量探究安培力创新设计[J].物理教学探讨，2014，32（3）：74-75.

（栏目编辑 张正严）