简易实验装置实现精确测定安培力与各变量关系

胡科杰 戎 杰

(浙江省慈溪中学 浙江 宁波 315300)

郭 拯

(浙江省慈溪市教研室 浙江 宁波 315300)

新课程标准注重从“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个维度培养学生的物理学科核心素养.“通电导线在磁场中受到的力——安培力”这节教学内容能全面地从4个维度培养学生的核心素养，然而教材中演示实验效果的低效，严重影响了教学目标的实现.为此，能否直观、精确、定量地探究安培力大小与各变量的关系，直接影响安培力教学重点和难点的解决，从而影响学生学科核心素养的培养.

1 研究背景与现状

图1是教材中演示安培力的实验装置图，该装置通过测量悬挂导线的摆角来定量研究安培力的大小，摆角越大安培力越大.通过调节滑动变阻器来改变电流大小，通过改变导线接线柱位置来改变放置在磁场中的导线长度，通过改变磁铁个数来改变磁感应强度大小.实际研究发现，只能定性研究得到随着电流的增大、接入导线长度的增加、磁铁个数的增加都能使摆角变大，进而说明安培力的增大.

(a)

(b)

由于实验设计存在问题和装置灵敏度的原因，本装置是无法实现精确、定量地探究安培力大小与各变量的关系，也无法测量电流与磁场有一定夹角θ时安培力与夹角θ的关系.

基于上述原因，许多物理教师做了很多实验的改进设计，普遍采用的实验装置如图2所示.

图2 教师普遍采用的改进设计后的实验装置图

利用力传感器进行研究，非常成功地定量研究了安培力与各变量的关系.对此类实验，有两个特点：(1)实验装备要求较高，学校必须配备数字实验设备.(2)对教师自身素养要求较高，需要教师熟练操作数字实验系统.

2 改进后的实验装置

为解决数字实验设备贵，难操作的问题，笔者借鉴几位教师的构想，设计如图3所示的实验装置，标有角度的白纸置于电子天平上，将多粒纽扣型强磁铁(可网购)叠加后固定于纸上.线圈固定于铁架台上，置于磁铁上方，线圈抽头分别为100，200，400，800匝.电子秤先清零，实验开始后，电子秤显示线圈对磁铁的作用力，反作用力即为线圈所受安培力.

图3 笔者设计的实验装置

3 实验探究

3.1 探究安培力F与电流I的关系

采用2个纽扣磁铁叠加垂直线圈放置于电子秤上，线圈匝数100，即保持B，L，θ不变，调节滑动变阻器，增大电流，得到F∝I，如图4所示.

图4 F-I图像

3.2 探究安培力F与导线长度L的关系

线圈匝数分别为100，200，400，800，线圈边长0.07 m，即相当于接入导线长度分别为7 m，14 m，28 m，56 m.纽扣磁铁取2个，电流I=0.16 A，即保持B，I，θ不变，得到F∝L，如图5所示.

图5 F-L图像

3.3 探究安培力F与磁感应强度B的关系

取纽扣电池分别为2，4，6，8，10个，实验前设想磁感应强度B可能均匀增大，保持I=1 A,L,θ不变时，设想实验结果得到F∝B.实际实验测得，F与磁铁个数的比值逐渐减小，并非随磁铁个数的增加而均匀增加，猜想原因应该是线圈所在位置的B并未与磁铁个数成正比，但由比值变化规律推测，在匀强磁场情况下，F应与B成正比.实验结果如图6所示.

图6 F-B图像

3.4 探究安培力F与电流磁场夹角θ的关系

旋转磁铁底座，改变电流与磁场夹角θ的大小，同时保持B，L，I不变，得到F随θ角的变化情况.如图7所示，图线显示为正弦，由此可以得到F安=ILBsinθ,同时发现当磁场反向时，力也改变方向.

图7 F-θ图像

4 装置分析

(1)器材简单易购，易组装.

(2)通过改变电流大小、方向，研究安培力与电流关系，连接不同抽头实现改变导线长度，研究安培力与长度的关系，操作简单.

(3)通过改变纽扣型磁铁个数，改变磁感应强度大小，研究安培力与磁感应强度的关系，操作直观.

(4)通过旋转磁铁在电子秤上的角度，研究安培力与磁场电流夹角的关系，操作灵活.

(5)实验结果精确可信，实现安培力的定量探究.

(6)唯一存在的问题，纽扣型强磁铁形成非匀强磁场，有一定欠缺.