“探究影响安培力的因素”实验改进

蔡少玲 裴熙 杨嘉航 李秀燕

（闽南师范大学物理与信息工程学院，福建 漳州 363000）

人教版高中物理教材“磁感应强度”［1］一节，“探究影响通电导线受力的因素”实验方案存在一定的局限性，只能定性分析安培力与电流大小及导线有效长度的关系，还存在实验现象不明显、不全面、不严谨等诸多不足。为此，不少学者针对此实验提出了各式改进方案［2-8］，有的是利用传感器或集成化的方式，有的是利用电子秤或3D 打印的方式。无论是集成化、数字化还是3D 打印，均符合信息时代的主流趋势，改进也各具创意。但实验耗费的成本普遍较高，对学生前期的知识储备也提出更高要求。若能先由传统实验搭建支架，再经数字化实验进一步验证，将有助于设置更合理的实验教学梯度，也符合学生的认识规律。鉴于此，同时保留实验简单、取材成本低的特点，本文拟用低廉的铝箔对传统实验进行改进。

一、实验改进

（一）受力直导线材质的改进

受力直导线是指电路中受安培力作用的导线，人教版教材用金属棒作为“悬挂的受力直导线”，出现实验现象不明显的现象。这归因于金属棒自重较大，而安培力又较小，使得金属棒受磁场安培力作用而发生偏转的现象不明显。鉴于此，为达到“显化”安培力的作用，本设计采用轻盈、低阻的铝箔纸代替“悬挂的受力直导线”。而为了克服铝箔纸脆弱柔软、易变形的不足，巧妙利用过塑机对铝箔纸进行过塑处理，过塑后，铝箔纸的外层有了轻薄的过塑膜保护，整体变得硬挺、不易变形。

将过塑完的铝箔裁剪出两个“L”形铝箔导线，而为保持铝箔纸的导电性，要求铝箔纸下端0.5cm 宽处裸露而不过塑，再将水平铝箔纸的过塑部分与不过塑部分沿着折线对折，形成如图1 所示的“L”形结构。

图1 “L”型铝箔导线

（二）受力直导线结构的改进

将对称的两条“L”形铝箔导线用塑料回形针重叠固定。通过改变两截铝箔导线重叠部分的长短，就可改变“受力导线”的有效长度，为了方便直接读出该有效长度，可在铝箔直导线上粘贴刻度贴纸。另外，为了减小铝箔纸旋转时的摩擦力，可将铝箔上端的接线口绕成一个铝箔圈，并用订书钉固定；在上方横梁的塑料固定环底端旋转进一个螺丝钉，让铝箔圈支撑在螺丝钉的尖端处，作为铝箔圈旋转的支点。铝箔直导线与外电路采用焊锡的方法连通起来，焊锡的点在订书钉上，受力直导线的实物图见图2。

图2 受力直导线实物图

二、实验原理

铝箔直导线在安培力作用下会发生偏转，设偏转铝箔与竖直方向所成夹角为θ，则铝箔所受的拉力T、安培力F、重力G方向如图3，所示。则安培力F、重力G与偏转角θ之间的关系为：

图3 受力图

由于铝箔直导线重力G一定，因此，分析安培力F的大小可转换为分析偏转角θ的大小来呈现。本实验用量角器测量偏转角θ的大小，通过定量分析tanθ与电流大小、直导线有效长度、磁感应强度大小的关系，实现对安培力大小的定量分析。

铝箔导线紧靠在大磁铁上表面，铝箔直导线的总长度为227mm，导线偏转160 时下边铝箔导线上升的高度大约为9.0mm、宽度大约为2.5mm。此偏转过程中下边铝箔直导线经过的磁场区域较大，致使磁感应强度改变也较大，不能简单认为下边铝箔导线一直处在匀强磁场中。所以在实验过程中需要保证下边的铝箔导线处于磁场的大致相同位置，以减小误差。具体操作如下：可在磁铁两端加上刻度尺作为受力导线在磁场中的参照物，实验过程中以下边铝箔直导线在竖直位置靠近直尺、水平位置位于直尺10cm 刻度这一位置作为基准，读数前都需要调整蹄型磁铁的位置，使得下边铝箔直导线处于该基准位置。调整铝箔直导线的位置时，水平位置通过带轮子的木板前后滚动调整，垂直位置通过升降台上下调整，更加方便快捷。

三、实验装置图

（一）电路图

本实验的电路由电源、滑动变阻器、电流表和受力导线串联而成，见图4。通过移动滑动变阻器可以改变电路中电流的大小，电流表的数值即为偏转装置的电流值。

图4 电路图

（二）受力框架实物图

受力框架的实物图见图5。该装置用蹄形磁铁提供磁场。用一带轮子的木板和升降台来调整磁铁的前后与上下位置，用量角器和指针测量铝箔的偏转角。

图5 受力框架实物图

四、实验原理

（一）实验过程

为了探究安培力大小与电流大小、直导线长短、磁感应强弱的关系；分析电流方向、磁感应强度方向、对安培力方向的影响，本实验采用控制变量法，逐一进行实验并分析。实验前调整指针对准0 刻度线以保证铝箔直导线的方向和磁感应强度的方向相互垂直。

1.探究安培力大小与直导线有效长度的关系

移动滑动变阻器，将电路中电流大小固定为I=0.6A，改变叠加铝箔导线的有效长度，从而改变其在磁场中的导线长度。读偏转角前注意调整蹄型磁铁的位置，以保证下边的铝箔直导线所处的位置的磁感应强度不变。用量角器测出铝箔偏转的角度，用刻度尺测出铝箔直导线的有效长度L，实验数据见表1，tanθ-L的关系曲线见图6。由图6 可知，tanθ-L成正比，可见，安培力的大小与通电直导线在磁场中的有效长度成正比关系。

表1 tan θ与L 关系记录表

图6 tan θ与L 关系图

2.探究安培力大小与电流大小的关系

将叠加铝箔导线的有效长度固定为L=15.3cm，并保持铝箔直导线与蹄型磁铁的相对位置不变。移动滑动变阻器，改变电路中电流大小，用量角器测量铝箔偏转的角度，用电流表测量铝箔直导线的电流值I。读偏转角前同样注意调整蹄型磁铁的位置，以保证下边的铝箔直导线所处的位置的磁感应强度不变。实验数据见表1，tanθ-I关系曲线如图7 所示。由图7可知，tanθ-I基本成正比，由此可知，安培力与通电直导线的电流成正比关系。

表2 tan θ与I 关系记录表

图7 an θ与I 关系图

3.探究安培力大小与磁感应强度大小的关系

移动滑动变阻器，将回路电流固定为I=0.6A，将叠加铝箔导线的有效长度固定为L=15.3cm。根据蹄型磁铁的磁感线分布图可知，在同一高度，蹄型磁铁和下边的铝箔直导线的水平距离d越远，磁感应强度越弱。实验时水平移动蹄型磁铁，观察铝箔偏转的角度。在表3 中记录蹄型磁铁到铝箔直导线的距离及铝箔直导线的偏转角，结合表3 的数据，作出tanθ-d的关系曲线见图8。由图8 可知，蹄型磁铁和下边铝箔直导线的水平距离d增大，tanθ随之减小，即磁场的磁感应强度越小，铝箔直导线受到的安培力越小。

表3 tan θ与d 记录表

图8 tan θ与d 关系图

4.探究通电导线受力的方向和电流与磁场方向的关系

移动滑动变阻器，将电路中电流大小固定为I=0.6A，叠加铝箔导线的长度固定为15.3cm，保证导线与磁感应强度垂直，对应磁场方向竖直向上标示为↑，反之标示为↓；铝箔直导线偏转的方向用于判断安培力的方向，并将安培力方向水平向左时标示为←，反之标示为→；磁场中导线电流的方向从里到外标示为⋅，反之标示为×。

通过分别改变磁场方向和电流的方向，观察铝箔偏转方向，并把情况记录在表4 中，由表4 的结果，可直观呈现安培力的方向与电流方向和磁感应强度的方向均有关，并由此可引导学生验证左手定则。

表4 F 的方向与磁场方向和电流方向关系记录表

（二）实验结论

综上所述，F∝L，F∝I，F∝B，引导学生总结安培力的计算公式为F=BLI，安培力的方向、磁感应强度的方向、电流的方向满足左手定则。

五、结语

本实验的创新点：一是取材巧妙。用轻盈、低廉的铝箔纸代替直导线，克服了教材直导线的弊端。二是装置巧妙。由于该实验的安培力较小，若直导线旋转时受到的摩擦力比较大，会产生很大的误差，改进后的实验是把直导线放在螺丝钉子的支点上，保证直导线旋转时所受摩擦力减小，有效减小了实验的系统误差。三是探究全面。既定量分析了偏转角与各因素的关系，又定性分析了安培力方向的影响因素。