定量探究安培力实验的改进

郑宇晴,王佳伟，张轶炳

(宁夏大学 物理与电子电气工程学院，宁夏 银川 750021)

人教版高中物理(选修3-1)“磁感应强度”中给出关于通电导线受力影响因素的演示实验.通过观察导线摆动的角度判断其受力，通过改变电流大小及通电导线的长度探究通电导线受力与导线长度及电流大小的关系；随后直接给出通电导线在磁场受力的公式[1].然而，这种定性的实验效果并不明显，学生只能粗略得出结论；公式定量关系的直接给出也容易导致学生出现逻辑跳跃，缺乏说服力.为使实验效果更明显，对实验进行了改进[2-5]，改进的实验利用天平称出通电导线在磁场中所受安培力，通过控制变量法定量分析安培力影响因素.

1 实验改进装置

改进后实验装置如图1所示，可分为磁场部分、安培力秤量部分及电流调节部分.

图1 改进装置

1) 磁场部分：成对50.8 mm×25.4 mm×12.7 mm铷铁硼强力长方体磁钢吸附自制U型铁槽.铷铁硼强磁铁具有强磁性，N极和S极相对吸附U型铁槽两侧，可产生匀强磁场.实验叠加多对磁铁可改变磁感应强度大小.磁钢磁性强，且属易碎品，相互吸附不易取开，因此实验中在磁钢上包裹软纸缠绕上胶带.

2)安培力称量部分：采用高精确度、抗干扰电子天平，精确度达0.01 g，具有校准、置零、正负读数等功能.通过称出的竖直施加秤盘上弹力对应的质量反映出通电导线所受安培力大小.

3)电流调节部分：UTP3313TEL(0～3 A,0～30 V)型可调直流稳压电源供电，结合滑动变阻器改变电流大小.可调直流稳压电源带有4个旋钮，可“粗调”、“细调”电路中的电压(量程范围为0～30 V)、电流值(量程范围为0～3 A).其数字显示屏可自测并显示电路电流大小，更方便电压及所通过电流值的读出.

4)其他实验仪器：滑动变阻器(50 Ω，1.5 A)，铁架台，金属铜棒，若干导线.

2 实验改进原理

天平是测量质量的仪器，因此并不能直接秤出安培力.但可将导线受到的安培力转换为对天平的弹力，从而测量安培力变化对应的质量数值.

3 实验定量探究

U型铁槽吸附1对强磁铁(匀强磁场环境)，置于电子天平托盘并“置零”处理(使示数直接显示通电后的安培力大小).

3.1 探究影响安培力大小的因素

1)实验1：探究安培力大小与电流大小的关系.

电源接通，调节电源电压及滑动变阻器，改变电流大小，记录相关数据如表1所示，利用Excel描绘安培力大小与电流大小关系如图2所示.

实验中磁场由1对强磁铁提供，磁场与导线方向始终垂直，置磁场中的导线长度为5 cm.

表1 “探究安培力大小与电流大小关系”实测数据

图2 探究安培力大小与电流大小关系

实验结论:在磁感应强度与磁场中导线长度一定时(磁场与导线方向垂直)，由拟合方程可知，其截距较小，在误差允许范围内，可以忽略不计，故可以认为导线所受安培力与电流大小成正比.

2)实验2：探究安培力大小与磁感应强度大小的关系.

在铁槽两侧依次叠加吸附1～3对实验磁钢进行3组实验.天平“置零”后接通电源，记录相关数据，如表2所示,利用Excel绘制图像关系如图3所示.

实验中磁场与导线方向始终垂直,置于磁场中的导线长度为5 cm.

表2 “探究安培力大小与磁感应强度大小关系”实测数据

图3 安培力与磁感应强度大小关系图像

纵向分析发现，在电流一定时，磁感应强度越大，对应安培力越大.由此可得到在电流及磁场中导线长度一定时,安培力与磁感应强度大小正相关.

3)实验3：探究安培力大小与磁场中导线长度的关系.

换用较宽的U型铁槽做实验，在铁槽对侧吸附3对强磁铁.设通电导线长度为L，磁场宽度为dB.

a.当L>dB时，用长铜棒(长铜棒长度>U型铁槽长度)进行实验，如图4所示.在电流恒为1.2 A时，转动铜棒至不同角度(不要接触到U型铁槽以免影响测量)，记录示数.

实验结论：铜棒可转动范围(电流恒为1.2 A)内，天平示数变化很小，浮动在0.49～0.51 g间.

b.当L

图4 当长铜棒长度>U型铁槽长度时，电子秤的示数

(a)电子秤示数

(b)对应刻度圆图样

连接仪器，将铜丝水平部分悬空置于秤盘刻度0°～180°线竖直上方，U型铁槽放于秤盘，调整铁槽使磁场与导线方向夹角依次为0°,10°,20°,30°，…，180°，记录的实验数据见表3.利用Excel绘制图像关系如图6～7所示.

磁场由3对强磁铁提供，细铜线下端导线长度为5 cm，电流恒为1.2 A.

表3 探究安培力与磁场及导线方向夹角的关系

图6 安培力F与夹角θ的关系

图7 安培力与的sin θ关系

当L

只有垂直磁场方向的通电导线长度对安培力大小有影响.转动铜棒(L>dB)，其垂直磁场方向的导线长度不变，天平所测安培力大小几乎为定值.当L

实验结论:电流及磁感应强度一定时，由拟合方程可知，其截距较小，在误差允许范围内，可忽略，故可认为安培力与垂直磁场方向的导线长度Lsinθ成正比关系.

3.2 探究影响安培力方向的因素

1)实验4：探究安培力方向与电流方向关系.

改变电流方向，“置零”后接通电源，记录不同电流值时天平示数，实验1记录对比，见表4，利用Excel绘制相应对比图像关系如图8所示.

表4 “探究安培力方向与电流方向关系”实测数据

图8 正负向电流对安培力方向的影响

两直线基本关于横轴对称.说明电流方向转换后，安培力大小不变，只有方向发生变化.安培力方向与电流方向有关.

2)实验5：探究安培力方向与磁场方向的关系.

在实验4基础上，对换U型铁槽前后方向(改变磁场方向)，“置零”后接通电源，记录不同电流值时天平示数，并与实验4数据对比记录，见表5，利用Excel绘制相应对比图像关系见图9.

两直线基本关于横轴对称.说明磁场方向对换后，安培力大小几乎不变，只有方向发生变化.安培力方向与磁场方向有关.

表5 “探究安培力方向与磁场方向关系”实测数据

图9 正负向磁场方向对安培力方向的影响

4 结束语

采用天平称量安培力，使定性观察转换为定量探究安培力影响因素，与教材相比，实验内容全面、准确且具有说服力，本设计存在几点待改进之处：探究安培力与磁感应强度大小关系时，由于缺乏测量磁感应强度大小的仪器，无法确定多块磁铁叠加所产生的磁感应强度数值，故此结论没有直接给出两者正比关系，而是表述为成正相关.探究安培力与磁场及导线方向夹角关系时，转动角度不够精确，导致曲线拟合效果一般，仍需改进.本实验中需要额外注意，所用强磁铁具有较强磁性，在使用时要带好防护手套，以免夹伤双手.磁铁属于易碎物品，注意轻拿轻放，放置在避开铁制品的场所.