利用 Phyphox 软件研究通电螺线管周围的磁感应强度

秦格格 韩斯佩 彭小牛 吴维宁

［摘 要］利用智能手机内置的传感器和Phyphox软件，在物理课堂中开展创新演示实验，研究通电螺线管周围的磁感应强度与哪些因素有关及其定量关系，在开阔学生眼界的同时培养学生的科学探究素养。

［關键词］Phyphox软件；通电螺线管；磁感应强度

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）02-0053-03

在人教版高中物理必修第三册第十三章第一节“磁场 磁感线”的微课实践教学中，笔者受到启发：要感知磁场的存在，除了可以通过观察磁铁的相互作用过程、小磁针的偏转、磁粉的分布等，还可以利用德国亚琛工业大学开发的一款免费的物理实验软件Phyphox中的磁传感器功能。通过Phyphox软件中的数值或图像可直观显示磁感应强度的大小和方向［1］。

在“磁场 磁感线”一节的教学中，教师应结合学生已在初中掌握相关基本概念的情况，着重加深学生对通电螺线管周围的磁场的认识，促进学生深入学习“磁感应强度”这个定量描述磁场强弱的物理量。为了进一步研究通电螺线管周围的磁感应强度分布及其影响因素，激发学生的探究热情，培养学生的科学探究素养，笔者利用Phyphox中的磁传感器功能进行了教学拓展［2］［3］。

一、提出猜想

学生在学习了电流的磁效应之后，提出猜想：影响通电螺线管周围磁感应强度的因素可能有三个，即电流大小、线圈匝数以及线圈内部有无铁芯。根据控制变量法将研究分成三步：改变电路中的电流大小，研究磁感应强度与电流大小的关系；改变线圈匝数，研究磁感应强度与线圈匝数的关系；控制线圈中有无铁芯，研究磁感应强度与线圈中有无铁芯的关系。

二、细化研究任务

（一）设计实验电路

实验原理图和装置图如图1（a）（b）所示。实验中，电流从电源正极流出，流经电流表、滑动变阻器、通电螺线管再回到负极，通过滑动变阻器就可以实现改变电路中的电流大小。将通电螺旋管靠近手机，再利用手机内置的传感器和Phyphox软件实现探测。

（二）确定手机内磁传感器的位置以及轴线方位

（1）确定磁传感器的位置

让条形磁铁在手机周围空间移动，观察Phyphox软件中磁感应强度大小的变化规律，发现当且仅当条形磁铁靠近手机摄像头位置时，磁感应强度[B]的波形图出现峰值，于是推测手机内磁传感器位于摄像头附近位置。

（2）确定磁传感器的轴线方位

为了确定手机内磁传感器的轴线方位，我们将通电螺线管长轴方向分别平行于手机三维几何对称轴，通过Phyphox软件中磁力计记录磁场变化。结果发现，手机内置的磁传感器是沿着手机几何z轴方向，如图2所示［4］。

（三）消除地球磁场的影响

基于通电螺线管周围磁场与地球磁场的大小在数量级上相当，因此我们计划采用分量分离的方法来减少地球磁场的影响，即选取地球磁场分量近似为零的方向为标定方向，将通电螺旋管周围磁场的方向调整为平行该标定方向，从而减少地球磁场的影响。具体操作过程如下：将手机放置在远离磁性物质位置，利用Phyphox软件中磁传感器的校准功能，以及通过在水平桌面上旋转手机，测得地球磁场的磁感应强度（～47 μT）及x、y、z轴三个方向的分量，选取x轴分量为零的方向为标定方向，调整通电螺线管位置，使其产生的磁场只有x轴分量，即可消除地球磁场的影响［5］。

三、开展定量研究

（一）研究磁感应强度与电流大小的关系

1.实验步骤

打开Phyphox软件，确定通电螺线管位置，消除地球磁场的影响。接通电源，保持通电螺线管位置不变，改变滑动变阻器接入电路的阻值，记录对应的电流大小，观察磁感强度随电流变化的过程（[B-I]图像），如图3所示。

2.数据分析

选取不同电流值，得到对应电流下的磁感应强度B，记录数据如表1所示［6］。

数据拟合处理发现，通电螺线管周围的磁感强度[B]随回路电流[I]线性增大，如图4所示，这与理论解析结果自洽相符，证明了通电螺线管周围的磁感应强度与电流强度成正比例关系［7］。

（二）研究磁感应强度与线圈匝数的关系

1. 实验步骤

保持通电螺线管和手机相对位置不变，保持滑动变阻器接入阻值不变，只改变线圈匝数，观察恒定电流下磁感强度随线圈匝数变化的过程（[B-N]图像），如图5所示。

2.数据分析

选取不同线圈匝数，得到恒定电流下不同匝数对应的磁感应强度[B]，记录数据如表2所示。

数据拟合处理发现，通电螺线管周围的磁感应强度[B]随线圈匝数[N]线性增大（如图6），这与理论解析结果一致，证明了通电螺线管周围的磁感应强度与线圈匝数成正比例关系。

（三）研究磁感应强度与线圈中有无铁芯的关系

1.实验步骤

保持通电螺线管和手机相对位置不变，保持滑动变阻器接入阻值不变，保持线圈匝数不变，观察恒定电流下线圈中有铁芯和无铁芯时磁感应强度的变化过程，如图7所示。

2.数据分析

如图7所示，当控制电路电流为1 A时，线圈中的铁芯保持原位置不变，观察发现[B]值出现脉冲，记录数据；保持电路电流为1 A，拔出铁芯，保持线圈位置不变，图中再次出现一个脉冲，但[B]值大小发生明显变化。

抽放铁芯，得到恒定电流下有铁芯和无铁芯时对应的磁感应强度[B]，记录数据如表3所示。

通过数据分析可知，当通电螺线管中有铁芯时，线圈周围磁场的磁感应强度较大；反之，当通电螺线管中无铁芯时，线圈周围磁场的磁感应强度较小。

四、结果分析

根据3次探究实验的结果可知，通电螺线管周围的磁感应强度与电流大小、线圈匝数、线圈中有无铁芯有关。通电螺线管周围的磁感应强度与电流大小、线圈匝数成正比例关系，通电螺线管中有铁芯时，线圈周围磁场的磁感应强度较大，反之则较小。

利用手机内置的传感器和Phyphox软件在课堂中开展创新演示实验，不仅能使实验过程更加便捷，实验现象更加明显，还能有效激发学生的学习兴趣和求知欲，开阔学生的眼界，更为教师开展全新的、更复杂的实验提供了契机。利用这种方法可有效解决传统实验中数据误差大的问题，大大提高实验的效率，提升教学效果［8］。

需要注意的是，在实验开始前，需要用Phyphox软件测量周围环境对实验数据的影响。由于手机本身的性能也会对实验数据造成誤差，因此可让学生自主开展该实验，得到的实验数据更多，结论更准确，实验效果更佳。

［   参   考   文   献   ］

［1］  焦政翰，田建民，田博雅.基于Phyphox磁力传感器的三种物理实验方案设计与实践［J］.中学物理，2023（9）：51-55.

［2］  何璐，祖米热姆·伊马木，方伟.phyphox软件介绍及其在物理教学中的应用［J］.物理通报，2020（2）：101-104，108.

［3］  饶迪，程敏熙，李锡均.智能手机传感器在中学物理实验中的应用综述［J］.物理通报，2019（4）：123-128.

［4］  洪婷婷，肖莉，曹海宾.基于手机软件Phyphox地磁场三要素的测量［J］.物理通报，2023（2）：91-94.

［5］［6］  张潆尹.利用PhyPhox软件研究通电直导线周围的磁感应强度［J］.中学物理教学参考，2023（2）：50-52.

［7］  王俊博.定量研究通电螺线管磁场的强弱［J］.物理教师，2008（11）：29.

［8］  杨银海.通电螺线管内部磁感线分布的实验教学思考［J］.中学物理，2014（23）：40-41.

（责任编辑 黄春香）