利用传感器定量探究安培力实验的创新设计

戴颖昱 殷位海

(南京市秦淮中学,江苏 南京 211100)

1 实验设计背景

安培力的公式是高中物理中的一个重要规律.人教版新教材普通高中物理必修3中,安培力大小的探究实验(图1),通过观察通电导线摆动角度的大小来定性比较导线受力的大小,同时也只能定性探究安培力与电流大小和导线长度的关系,无法改变磁场与通电导线的夹角.为了使得实验从定性过渡到定量,更符合学生的认知规律,在教学过程中,利用力传感器、电流传感器和磁传感器设计了一个可以精确定量探究安培力大小的实验装置.

图1

2 实验设计过程

2.1 实验目的

定量探究安培力大小的影响因素.

2.2 实验器材和装置

实验装置的基本构造如图2所示,用两块面积较大的强磁铁放置在旋转平台上,在磁铁中央形成一个匀强磁场,旋转平台可以360度旋转,改变磁场的方向.将矩形线圈的上边框放置在磁铁的中央部位,并在线圈上边安放磁传感器,下边框在磁场区域之外,线圈通过type c接口与内部的电源、电流传感器以及电位器相连,矩形线圈放置在有力传感器相连的支撑架上,通过线圈对支撑架的压力的变化测量安培力的大小.相应的力、电流和磁感应强度的测量数据通过液晶屏显示.在定位器的下方有清零按钮与之相连,可以对力传感器进行调零操作.

图2 实验装置图

2.3 实验原理(图3)

图3 原理图

当矩形线圈处在磁场中通以电流时,线圈下边所处的磁场非常弱,所受的安培力忽略不计,左右两边框所受的安培力抵消,所以力传感器能测量线圈上边所受的安培力(线圈上边所受的安培力沿竖直方向,是n根导线所受安培力的总和).当电流为0,安培力为0,只受重力时进行力传感器的调零(力传感器安装在支撑架下面),当安培力变化时,矩形线圈对支撑台架的压力的变化量就等于安培力F的大小.通过电位器可以调节线圈中电流,用电流传感器测量电流I大小,旋转台可以改变磁场方向和通电导线的夹角,通过旋转平台上的刻度值直接读出角度θ,通过更换放置不同的矩形线圈可以改变导线的长度L,最后通过控制变量法定量地探究安培力与电流I、和通电导线长L、以及磁场与通电导线夹角θ的关系.

2.4 实验步骤与数据处理

(1) 调整旋转平台,保持线圈上边与磁场方向垂直,对力传感器调零,然后逐步调节定位器增大通过线圈的电流强度,探究安培力F和电流I的关系.

(2) 保持电流强度和导线长度不变,逐渐改变旋转平台的方向,探究安培力F和通电导线与磁场方向的夹角θ的关系.

(3) 在保持电流强度一定,线圈与磁场方向垂直的情况下,换用不同的线圈做实验,从而改变通电导线的长度,探究安培力F和通电导线长度L的关系.

将3组实验数据输入电脑Excel表格,分别作出F-I,F-θ(sinθ)和F-L关系图像,得出相应的函数关系,如图4-7所示.

图4 F-I关系

图5 F-θ关系

图6 F-sinθ关系

图7 F-L关系

(4) 读取任意一组安培力F(实际读取的安培力要除以线圈的圈数得到一根通电导线受到的安培力F)、电流强度I、导线的长度L、及磁感应强度B、通电导线与磁场方向的夹角θ的实验数据,验证安培力的公式F=BILsinθ.

2.5 实验结论

通过精确地测量可以得到安培力大小的关系式F=BILsinθ.通过多组实验数据可以看出:本实验相对误差非常小,能够精准地达到实验目标的要求,由于采用传感器采集数据完成,所以完成该实验时间只需要10分钟左右.

3 针对该实验设计的评价与总结

(1) 该实验装置利用力、电流、磁3种传感器协同工作,能够在保证一定测量精度的情况下,完成安培力影响因素的定量测量与探究.由于实验精度要求较高,因此在实验前需要对实验装置进行细致的安装、调试,并对各个传感器进行调零操作,以确保实验的成功.

(2) 该装置的实验数据目前采用液晶显示的方式呈现,数据采集需要手动记录逐次的实验数据,再录入电脑中进行处理,后期改进可以考虑利用软件自动采集力、电流、磁场3个传感器的实验数据,并进行绘图分析.这样可以提高实验的效率,也能更好的体现数字化实验的优势.

(3) 由于该装置实现了对电流大小,安培力大小的定量测量,还可以设计用来进行磁感应强度的定义式的探究性教学.通过测量发现当通电导线垂直于磁场方向时，F与I和L的乘积成正比关系,从而可以利用比值定义法定义磁感应强度.进而通过B=F/IL计算出相应的磁感应强度的大小,同时也可以进一步利用磁传感器对由定义式计算的结果进行验证,从而加深学生对磁感应强度的概念理解.

(4) 物理是以一门实验为基础的学科,在实际的物理教学中,对于一些抽象的物理概念和重要的物理规律,传统的实验手段往往只能进行定性的探讨,将数字化实验引入课堂可以实现对数据的精准快速测量及处理,为设计定量探究物理概念和规律的教学提供了强有力的手段.同时让学生在课堂上体会到科学发现与探究的无穷乐趣,实现了理论与实验的完美结合,从而可以激发学生学习兴趣,培养学生科学思维,提升学生科学素养.