简易安培力演示仪的制作与应用

马少军

(甘肃省临洮县第二中学，甘肃 临洮 730500)

1 设计背景

安培力的教学是普通高中物理选修3-1中的重要内容,教材要求通过实验探究认识安培力,得出影响安培力大小的因素．在实际教学中由于实验器材的制约,只能进行基于问题猜想的粗略定性探究,对影响安培力大小的因素还没有一个简易有效的定量验证的实验器材,鉴于此,我们借鉴了电流天平原理,利用现有的常用实验器材和材料制作了这套简易安培力演示仪,它既可定性验证或探究影响安培力大小的因素,也可在误差容许的范围内能够较精确的测量磁感应强度的大小．

该演示仪的特点是结构简单,一体化程度高．实验操作简便、灵活、快捷,实验现象直观、清晰、稳定,数据采集简便,实验机构反应灵敏,实验结果成功率高,实验结论严密准确．

2 简易安培力演示仪结构及电原理图

2.1 结构图

2.2 电原理图

3 科学方法和制作原理

如图3所示,在矩形线圈通电前杠杆处于调平状态后

图3

M配gL配+m游gl游0=M磁gL磁.

(1)

线圈通电后磁铁受到向下的安培力作用,仅通过将游码调节到l游位置,使杠杆二次平衡,此时

M配gL配+m游gl游=M磁gL磁+F安L磁.

(2)

将(1)、(2)式联立求解得

(3)

若令Δl=l游-l游0,则F安∝Δl.可见,如果用该装置探究影响安培力大小的因素,只需测量出矩形线圈通电前后游码力臂的变化量Δl即可．如果某物理量的变化与游码力臂的变化量Δl成线性关系,则此物理量与安培力成正比．例如在探究影响安培力大小的因素时,若矩形线圈中的电流I增大,Δl增大;磁铁的磁性B增强,Δl增大;磁场中通电导线L加长(蹄形磁铁的宽度增大),Δl增大,则I、B、L与F安成正比,即

F安=BIL.

(4)

另外,由(3)、(4)联立求得

(5)

可见只要测出游码质量m游、线圈中的电流I、蹄形磁铁的宽度L、磁铁的力臂L磁以及游码力臂的变化量Δl(矩形线圈通电前后杠杆两次调平时游码力臂的差值),用该装置就能够完全测量出磁铁的磁感应强度的大小．

4 制作材料

65 cm×120 cm木工板1块,5 cm×2 cm×70 cm木条3条,1.2 cm×1 cm蹄形磁铁3块, J0401演示电流表(0～2.5 A)1个,J1202-2学生电源1个, 54 cm×2 cm×0.4 cm 带刻度木尺1条,10 g铝制游标1个,砝码1组,滑动变阻器1个,接线柱1对,液泡水平仪1支,导线若干．

5 制作方法

(1) 如图1所示,制作带平衡支架的木箱．

图1 简易安培力演示仪

(2) 将演示电流表.学生电源如图1固定在木箱内．

(3) 如图4将带有液泡水平仪的平衡杠杆安装在平衡支架上．

图4

(4) 如图5在平衡杠杆相应位置固定磁铁,将线圈安装在木箱支架的凹槽中固定．

图5

(5) 按图2所示的电原理图连接各部件电路,平衡杠杆先调平后再通电调试．

图2 电原理图

(6) 二次调平后试验仪安装调试完成．

6 实验操作步骤

6.1 研究电流对安培力的影响

(1) 将演示仪置于水平桌面,按图示组装好仪器．

(2) 调节配重砝码和游码,使杠杆平衡,记录游码所在处的力臂长度l0．

(3) 给矩形线圈通电．

(4) 调节滑动变阻器阻值,使电流表示数为I．

(5) 移动游码使杠杆二次平衡．记录游码所在处的力臂长度l．

(6) 改变电流值,重复第(4)、(5)步．

6.2 研究磁感应强度对安培力的影响

(1) 将演示仪置于水平桌面,按图示组装好仪器．

(2) 调节配重砝码和游码,使杠杆平衡,记录游码所在处的力臂长度l0．

(3) 给矩形线圈通电．

(4) 调节滑动变阻器阻值,使电流表示数为I．

(5) 移动游码使杠杆二次平衡,记录游码所在处的力臂长度l．

(6) 改变充磁机的充磁电流,对同一蹄形磁铁重新充磁,改变磁铁的磁感应强度后,重复第(5)步．

6.3 研究通电导线的长度对安培力的影响

(1) 将演示仪置于水平桌面,按图示组装好仪器．

(2) 调节配重砝码和游码,使杠杆平衡,记录游码所在处的力臂长度l0．

(3) 给矩形线圈通电．

(4) 调节滑动变阻器阻值,使电流表示数为I．

(5) 移动游码使杠杆二次平衡,记录游码所在处的力臂长度l．

(6) 依次改换单个或2个、3个并排放置的同型号蹄形磁铁组以改变磁场中单匝通电导线的长度L0(L0是蹄形磁铁(组)的宽度,磁场中通电导线的长度L=NL0),重复第(2)步至第(5)步．

7 简易安培力演示仪实验举例

7.1 探究矩形线圈中电流的变化对安培力大小的影响．

(1) 按照“研究电流对安培力的影响”的实验操作步骤完成5次测量．

(2) 记录数据.

矩形线圈未通电,将平衡杠杆调平后l游0=3.31 cm．调节滑动变阻器改变电流大小得到表1数据．

表1

利用表1数据作出添加趋势线的ΔL-I图像如图6所示.

图6

从以上数据及图像可见,I∝Δl,又由于F安∝Δl,所以得出F安∝I,即矩形线圈中通过的电流强度的大小与其在磁场中所受的安培力成正比．

7.2 磁感应强度的测量

表2

用简易安培力演示仪多次测得的磁感应强度大小的平均值为0.254 mT,与用朗威DISLab的磁传感器精确测得的数值0.26 mT相比(图7),两者的误差仅为5%左右．所以,简易安培力演示仪在实际应用中的效果证明,该仪器能够完全满足普通中学物理实验中定性验证、探究影响安培力大小的因素和在没有高精度磁传感器设备的情况下较精确的测量磁感应强度大小的需要．

图7 DISLab测量磁感应强度