自制安培力探究仪制作及实验数据误差反思

刘安巍

(重庆第三十中学,重庆 400010)

依据F=BILsinθ,通过自制安培力探究仪试图简化物理实验教学进程、提高教学质量,最终仪器测得F关于B、F关于I、F关于L的数据近乎完美,但F关于θ角的数据却误差较大,通过深入实验探究、反复琢磨发现,用当前的实验思路去探究F关于θ角的关系存在不可避免的系统误差．

1 自制安培力探究仪原理

通电导线在磁场当中会受到力的作用,其大小为F=BILsinθ．

2 自制安培力探究仪零部件

漆包线矩形线圈、滑动变阻器、学生电源、学生电流表、电子秤(精度0.01 g)、钕铁硼强磁、滑轨、角度盘、开关、导线、二极管、电池、指针、木板、刻度尺．

3 自制安培力探究仪组装介绍

图1 探究仪成品

安培力探究仪组装成品如图1所示．仪器分为两大部分,如图2所示为磁铁活动框架部件;如图3所示为核心转轴部件．磁铁活动框架部件主要用于固定强磁铁,并在滑轨两侧分别装有刻度尺,用于精准控制磁铁的间距,框架底部有电子秤卡槽,右侧有操作开关控制平台,用于安装电压表、电流表、线圈匝数控制开关等,核心转轴为核心部件用于镶嵌固定线圈,顶端设有刻度盘．制作时先完成磁铁活动框架,在依据框架尺寸制作转轴部件,部件制作完成后排布线路、安装测量仪表和控制开关等．

图2 自制安培力探究仪外部框架

图3 自制安培力探究仪中心转轴

4 实验探究过程

(1) 对磁感应强度的测量有两种方法,一种是直接用磁强传感器,另一种用测得的已知量计算得出,日常教学中为提高学生探究能力可用实验探究得出．例如表1为磁间距为6×10-2m时测得的磁感应强度,多测几组数据取平均值．

表1 磁感应强度测量数据

将表1得出的5组数据求平均值,得出磁间距为6×10-2m时,磁感应强度为9.2×10-3T．

(2) 控制B、I、θ不变,探究安培力F和有效长度L的关系,如表2所示．

表2 探究安培力F和有效长度L的关系

(3) 控制B、L、θ不变,探究安培力F和电流I的关系,如表3所示．

表3 探究安培力F和电流I的关系

(4) 控制I、L、θ不变,探究安培力F和磁感应强度B的关系,如表4所示．为方便读数记录磁感应强度变化用磁间距d表示．

表4 探究安培力F和磁感应强度B的关系

(5) 控制B、I、L不变,探究安培力F和电磁θ角的关系,如表5所示．

表5 探究安培力F和电磁θ角的关系

(6) 测量数据探讨,详细如表6所示．

表6 各探究关系误差范围及平均值对比

5 实验注意事项

(1) 电子秤读数前一定要先清零,俗称除皮．

(2) 读取的数据需换算成国际单位,如电子秤读出的数据单位为g,需换成N．

(3) 测量时要弄清楚电流方向,若线圈受到的安培力向上,则电子秤示数为负值,若安培力向下,则为正值．

6 系统误差反思

6.1 通电线圈自身具有磁场

图4 线圈自身产生感应磁场

6.2 强磁产生的磁场并非标准匀强磁场

用钕铁硼强磁制造的磁场并非标准的匀强磁场,而是由两块方体强磁N、S面相对产生的．每一块磁铁的6个面均有3对磁极,这会使得装置周围分布有不可控制的“乱磁”,这些因素是产生系统误差的又一重要因素．