新型安培力定量实验探究装置

康良溪

研究背景

安培力在生产生活中具有广泛的应用，是高中物理的重点学习内容，而探究安培力是高中物理教学中的一个重要实验。由于缺乏配套、直观的定量仪器，现有安培力演示器材的演示效果并不理想，教材演示难以完成，很难让学生对安培力的定量关系（F=I lB sinθ ）有深刻的认识，现实中普遍存在教师灌输、学生死背公式的现象。可以说，探究安培力实验是个疑难实验。

研究目标

设计研制新型装置，实现安培力公式F=I lB sinθ 内容（当B 、l、θ 不变时，F ∝ I ; 当I 、l、θ 不变时，F ∝B;当B 、I 、θ 不变时，F ∝ l;当B 、I 、l 不变时，F 与θ的关系、F 和sinθ 的关系）的定量实验探究。

F 与θ 的关系：设计专用软件，直接拟合出正弦曲线图像（包括当B ∥ I 时，F=0 最小;当B ⊥I 时，F=I lB 最大）。

F 和sinθ 的关系： 设计专用软件，直接拟合出F ∝ sinθ 正比关系图像（软件直接算出sinθ 值，拟合出F 与sinθ 关系的一次函数图像）。

研制过程

实验原理与仪器装置图见图1和图2。

器材

五抽头线圈、电磁铁、旋转圆盘、可调电源、50Ω 滑动变阻器、电脑、数字采集器、电流传感器、力传感器、角度传感器、导线若干、铁架台、夹子等。

制作

旋转圆盘。旋转支架选择小型不锈钢方管，形状如图3 所示，有4 只脚，上方平面支架，尺寸依所选电磁铁大小而定。圆盘为木质材料，板厚约1cm，直径依所选电磁铁大小而定。轴承用以连接圆盘、旋转支架与角度传感器。

线圈。线圈采用抽头设计的方法，先用薄亚克力板做成一个方形的线圈支架，尺寸约6cm×13cm，当线圈绕了100 匝、200 匝、300 匝、400 匝時各引出1 个接线端，头尾共5 个抽头，如图4 所示。

选择电磁铁（图5）和角度传感器（ 图6）。

创新点

自制旋转支架和组成转动圆盘，利用角度传感器、设计专用软件直接记录数据、分析数据，可实现①探究F 与θ 的关系——软件直接拟合出F 与θ 的正弦曲线图像，从图像直观看出F ∝ sinθ ，比描点看F与sinθ 正比的一次函数图像更直观、更全面;②探究F 与sinθ 的关系——设计软件直接算出sinθ值，拟合出F 与sinθ 关系的一次函数图像。

自制五抽头线圈， 当B 、I 、θ 不变时，实现定量探究F ∝ l 及F ∝I 。

选择匀强电流磁场，当I 、l、θ 不变时，实现定量探究F ∝B 。

当B 、l、θ 不变时，定量探究F ∝I 。

本仪器装置实现定量、直观、快捷地探究安培力大小与各物理量关系，具有精确度高（定量探究安培力大小）、研究面广（可探究安培力与更多相关物理量的关系）、科学直观（常规仪器与数字传感器有机整合）等特点，有效解决了安培力教学中的难点。有了上面这套器材，教师讲解安培力的关系时就非常轻松。同时，学生对于实验结果有了感性认识，有助于更好地理解安培力有关定律。

专家评语

该仪器装置实现了定量、直观、快捷地探究安培力大小与各物理量之间的关系，解决了安培力教学中的难点。该项目选题新颖、原理科学、概念清晰、构思巧妙、设计合理，对传统方法有突破，具有实质性创新。作品实用性强、效果显著，具有示范推广价值。希望该项目在工艺方面作出改进和提升。