运用phyphox程序的通电螺线管定量探究实验

潘军良

(浙江省慈溪市周巷中学,浙江宁波 315300)

信息技术正在改变学校的教育文化,改变教师的教学方式.新的普通高中物理课程标准对于信息技术与物理教学的融合提出了建议:物理教学要积极利用已有数字媒体,主动开发适合教学的信息产品,拓宽物理学习的途径,促进物理教学改革.另一方面,物理实验是学生探索物理规律、培养创新能力的重要途径.新课标倡导教师利用身边物品改进或开发新实验,提倡利用数字实验系统克服传统实验测量精度及效率不高的缺点,鼓励学生在课外以独立或小组合作方式,开展实验研究.为此,笔者自制螺线管,借助智能手机的phyphox程序设计了定量测量磁感应强度的实验,帮助学生加深对电生磁的理解,亲历动手做实验的过程,更好地培养科学探究等核心素养.

1 实验原理

phyphox程序是基于智能手机所含有的传感器而创建的辅助物理实验工具箱,其中的磁力传感器可精确测定手机传感器所处位置的磁感应强度,且磁力计可以分别单独测量x、y、z3个轴向的磁感应强度,在设法排除地磁场干扰后,能够精确地测出通电螺线管周围空间某点的磁感应强度,如图1所示.

图1

同一通电螺线管周围的磁场强弱分布与空间位置有关.不同通电螺线管的磁性强弱主要与通过的电流大小、线圈的大小、匝数和有无铁芯有关.实验时用控制变量法对上述4个因素进行探究.为了进行定量对比,均选取了螺线管轴线上与线圈等距离的点进行测量.

2 实验准备

用同种漆包线绕绝缘材料自制螺线管,且绕向一致,与边缘距离相同,分别为螺线管Ⅰ(直径16 mm、长110 mm、250匝)、螺线管Ⅱ(直径16 mm、长110 mm、500匝)、螺线管Ⅲ(直径32 mm、长110 mm、250匝)、螺线管Ⅳ(直径86 mm、长110 mm、250匝),如图2所示.

图2

用覆有白纸的厚度不一的书本做底座,在其上标记好手机及螺线管的轴心位置.

3 实验步骤与数据记录

(1)打开手机中phyphox程序的磁力计,调整手机及书本位置,进行y轴磁感应强度的校零,并固定位置保持不变.

(2)将学生电源、电流表、滑动变阻器、开关按照如图3所示依次串联,并使这些仪器尽量远离手机.

图3

(3)探究通电螺线管磁场强弱与通过的电流强度、匝数及线圈直径的关系.

①将螺线管Ⅰ单独连入电路,使螺线管轴心位置与手机的轴心位置对齐.调节输入电压和滑动变阻器,使通过螺线管的电流分别为0.50 A、0.75 A、1.00 A、1.25 A、1.50 A,记录对应的图像和磁感应强度,如图4和表1所示.

表1 250匝、16 mm螺线管Ⅰ实验数据

图4

②将螺线管Ⅱ单独连入电路,重复实验步骤(1)的操作,记录对应的图像和磁感应强度,如图5和表2所示.

表2 500匝、16 mm螺线管Ⅱ实验数据

图5

③将螺线管Ⅲ单独连入电路,重复实验步骤(1)的操作,记录对应的图像和磁感应强度,如图6和表3所示.

表3 250匝、32 mm螺线管Ⅲ实验数据

图6

④将螺线管Ⅳ单独连入电路,重复实验步骤(1)的操作,记录对应的图像和磁感应强度,如图7和表4所示(因导线电阻较大,测量电流可从0.25 A开始).

表4 250匝、86 mm螺线管Ⅳ实验数据

图7

(4)探究通电螺线管磁感应强度与铁芯的关系.

①将螺线管Ⅰ连入电路,使螺线管轴心位置与手机的轴心位置对齐(如图8).调节滑动变阻器,使通过螺线管的电流分别为0.50 A和1.00 A,记录有无铁芯时对应的图像和磁感应强度,如图9和表5所示.

表5 250匝、16 mm螺线管Ⅰ铁芯实验数据

图8

图9

②将螺线管Ⅱ连入电路,使螺线管轴心位置与手机的轴心位置对齐.调节滑动变阻器,使通过螺线管的电流分别为0.50 A和1.00 A,记录有无铁芯时对应的图像和磁感应强度,如图10和表6所示.

表6 500匝、16 mm螺线管Ⅱ铁芯实验数据

图10

4 数据处理与分析

(1)在计算机上,以磁感应强度为纵坐标,以电流强度为横坐标,利用实验步骤(3)中所得到的4组实验数据,描绘出B-I图像(如图11所示).

图11

(2)数据分析.我们先从理论上来分析通电螺线管内部的磁感应强度与哪些因素有关.如图12所示,当密绕的螺线管中的电流强度为I时,其中心轴线上某一位置P点的磁感应强度可表示为B=μ0nI(cosβ2-cosβ1),其中μ0为真空磁导率,n为螺线管单位长度上的匝数,β1、β2分别为P点到螺线管两端矢径与y轴的夹角.当螺线管无限长时,β1=π,β2=0,则B=μ0nI.

从图11中可以发现,4组实验数据都能连成一条倾斜的直线,表明通电螺线管的磁感应强度与通过的电流成正比,实验结果与理论基本一致.

利用螺线管Ⅰ、Ⅱ做实验的两组数据相比较可知,通电螺线管内的磁感应强度与其单位长度上的线圈匝数n成正比,符合理论上的预期.

利用螺线管Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ做实验的3组数据相比较可知,仅线圈直径不一样的螺线管进行通电实验时,螺线管中的磁感应强度与线圈直径的平方近似成正比.

再分别对实验步骤(3)(4)所得的数据进行分析研究,可得到如图13所示两张图表.

图13

在给通电螺线管插入了铁芯后,磁感应强度会明显增强,增幅高达6倍左右.实验中用到的铁芯长80 mm、直径11 mm,两个螺线管均为长110 mm、直径16 mm,仅匝数不同.

5 反思与总结

用手机phyphox程序中的磁力计定量检测通电螺线管的磁场,且先对y轴的磁场进行校零,排除了地磁场的干扰,可精确地测出螺线管的磁感应强度.通电螺线管的磁场分布与空间位置有关,实验数据的采集都在同一轴心位置处,实验中固定了手机摆放位置,标注出了螺线管的轴心位置,提高了实验的准确度.实验中还应注意,若线圈通电时间过长、电流过大,会引起线圈电阻的变化,因此每次测量后应立即断开开关,且测量时间不宜过长.实验时应用全木桌子,远离了金属物品,且电流表、滑动变阻器等也应尽量远离手机,排除干扰,减小误差.

不同手机中磁场传感器的具体位置不同,这样也会在测量中造成一定的误差.绕制的螺线管规格种类不够多,铁芯也只有一个,不能通过更多组的实验得出更全面的结论,留待学生进行改进探索.

总之,运用phyphox程序来探究影响通电螺线管磁性强弱的因素,丰富了学生开展课题研究的内容,把探究活动引向多样化.利用智能手机等日常物品做实验具有方便、直观、准确等特点,开发的相关实验成本低、质量高,能够激发学生研究的兴趣.学生经历本实验的探究不仅能掌握了解通电螺线管的磁场特点,更重要的是能够培养设计方案、收集数据、分析数据、得出结论等实验能力,使学生在知识获得与能力培养方面处于一种动态平衡、良性循环的状态.