攜帶型高精度安培力探究儀

攜帶型高精度安培力探究儀

揚州大學附屬中學

摘要：為定量探究影響安培力的因素, 設計製作了安培力探究儀.利用電子秤測安培力的大小, 通過改變電池節數和電阻來改變電流大小, 改變線圈抽頭來改變通電導線的長度, 用釹鐵硼強磁鐵來增大勻強磁場的強度和寬度, 改變兩磁極間距離改變磁感應強度, 用角度盤、指針和放大鏡組合而成的測角器來清晰顯示電流與磁場方向間夾角的大小及其變化.應用該儀器, 利於學生理解左手定則和公式F=IlBsinθ.

關鍵詞：安培力;電流;磁感應強度;

1 實驗裝置的改進思路

人教版物理教材和學校實驗室提供的探究裝置如圖1所示.簡單的實驗裝置只能定性研究, 不能定量探究, 操作也不方便.為此筆者對該實驗裝置進行了改進, 設計了安培力探究儀, 實物圖如圖2所示, 電路圖如圖3所示.

圖1 教材及實驗室裝置

圖2 安培力探究儀實物圖

圖3 電路圖

1.1 安培力大小的測量與方向判斷

由於安培力的測量值較小, 在10N的數量級, 彈簧測力計的精度不能滿足定量探究的需要.為此改用精度為0.01g的電子秤, 轉化為測力計, 將質量單位g換算為力的單位N, 讀數時, 將顯示屏上的示數乘以係數10即可.此時測力計的精度為0.000 1N.示數為正, 表示安培力的方向向下;示數為負, 表示安培力的方向向上.

1.2 電流大小的測量及其改變方法

用精度為0.01A的數顯電流表來測量電流的大小.改變電流的方法有2種:

1) 電池盒內有4節5號乾電池, 改變接入電路中的電池節數, 可分別獲得1.5, 3, 4.5, 6V的電壓.

2) 移動滑動變阻器的滑片來改變電流.香蕉插頭用來外接線圈與電池2個插座板中的插孔, 方便地改變電壓和線圈匝數.

1.3 導線長度的測量及其改變方法

由於1根通電直導線上獲得的安培力很小, 測量誤差較大, 所以自制了帶有抽頭的矩形線圈作為通電導線.其在磁場中的長度為矩形的長邊l與其匝數n的乘積.5個抽頭可獲得4組不同的匝數, 分別為100, 150, 200, 250匝, 矩形線圈的有效長度設計為0.08m, 通電導線在磁場中可方便地獲得8, 12, 16, 20m不同的有效長度.

1.4 勻強磁場的獲取及其改變方法

蹄形磁體的磁場寬度較小、體積較大、磁場強度不易改變, 還很笨重, 所以選用2個長10cm×1cm×1cm的釹鐵硼強磁鐵代替.該強磁體可獲得10cm寬的勻強磁場, 通過改變磁鐵間的距離還可以改變磁感應強度.前後2塊強磁鐵, 能在左右2個導軌上前後移動, 左右2根長度相同的隔木條能將前後2塊強磁鐵隔開一定的距離, 可調節為4, 5, 6, 8cm這4個距離.

1.5 電流與磁場間夾角的測量及其改變

實驗裝置利用自製的測角器測量電流與磁場間的夾角, 它包括角度盤、放大鏡和指針3個部分.角度盤固定在矩形線圈的上表面, 其90°的位置始終與通電導線的位置一致, 並與矩形線圈共同繞固定在電子秤盤上的轉軸旋轉.固定在儀器支架上的指針能指向測角器旋轉後的刻度, 並通過與指針固定在一起的放大鏡直接清晰地顯示出電流與磁場間的夾角θ.

2 探究儀的製作及其調試

2.1 器材與工具

漆包線、裝飾板、凸透鏡、滑動變阻器、雙面膠、木膠、電子秤、數顯電流表、釹鐵硼強磁鐵、插座、插頭、電腦、刻度尺、圓規、鉛筆、鋸子、手電筒鑽、美工刀、銼刀.

2.2 製作過程

製作轉軸:在電子秤的秤盤上製作有固定轉軸的盤蓋.

繞制線圈:用包裝盒紙板製成骨架, 並在骨架上繞漆包線, 留出抽頭.

製作儀器架:用裝飾板製作儀器架, 在儀器架上設置可以使強磁鐵滑動的導軌, 其旁邊設置刻度尺, 可方便地直接測出2個強磁鐵間的距離, 或其改變後的距離.

製作測角器:將角度盤固定在線圈架上, 其90°的位置始終與線圈中通電導線位置一致.底座有與電子秤盤上的轉軸相連的旋轉孔.放大鏡與指針固定在儀器架的側板上.

製作插座板:在儀器架背面板上製作電源插座板 (標有1.5V, 3V, 4.5V, 6V) 和線圈插座板 (標有匝數100, 150, 200, 250) .

2.3 安裝調試

將電子秤、數顯電流表、強磁鐵、測角器、開關、插座板、電池盒等器材安裝在儀器架上, 並按教材中電路圖連接, 進行調試.

3 定量探究安培力大小的影響因素

3.1 收集數據

表1中加粗數據為實驗測得到, 其餘數據為計算得到, 紅色數據為探究所用.

表1 實測數據

3.2 分析論證

由表1中1~4行的數據分析可得:在保持磁感應強度、導線的長度一定時, 垂直於磁場方向的通電導線所受的安培力F的大小與導線中的電流I成正比.

由表1中第1行和5~7行的數據分析可得:在磁場的強度、導線中的電流一定時, 垂直於磁場方向的通電導線所受的安培力F的大小與導線的長度L成正比.

由表1中第1行和8~10行的數據分析可得:在導線的長度、電流一定時, 垂直於磁場方向的通電導線所受的安培力F的大小與磁感應強度B成正比.

由表1中第1行和11~14行的數據分析可得:在磁場的強弱、導線的長度、導線中的電流都一定時, 通電導線受到安培力F的大小跟磁場與電流方向間夾角θ的正弦值成正比.

綜上所述, 通電導線在磁場中所受的安培力F的大小, 與導線中的電流I、通電導線的長度L、磁感應強度B、磁場與電流方向間夾角θ的正弦值成正比.由此可以歸納出計算安培力的公式:F=IlBsinθ.

4 定性探究安培力方向的影響因素

4.1 實驗現象

分別改變電流方向 (由「→」改變為「←」) 和磁場方向 (由「×」改變為「·」) , 觀察電子秤示數的正負 (「↓」為正, 「↑」為負) , 將3個方向分別記錄在表2中.

表2 探究安培力方向數據

4.2 左手定則

分析表2可知:安培力的方向與電流的方向、磁場的方向都有關, 可用左手定則來描述.

4.3 驗證結論

將表1中實驗數據代入公式F=IlBsinθ中, 只要等式成立, 即可驗證該公式.也可讓學生用表2中3個方向之間的關係來驗證左手定則.

5 結束語

筆者對教材中安培力探究實驗進行改進, 設計製作了安培力探究儀.用電子秤測安培力的大小, 其示數的正與負表示安培力的方向, 利用改變電池節數和改變電阻來改變電流的大小, 改變線圈抽頭來改變通電導線的長度, 用釹鐵硼強磁鐵來增大勻強磁場的強度和寬度, 改變2個磁極間距離改變磁感應強度, 用角度盤、指針和放大鏡組合而成的測角器來清晰顯示電流與磁場方向間夾角的大小及其變化.應用本儀器, 可驗證左手定則和公式F=ILBsinθ.

作者簡介：方紅霞 (1971-) , 女, 江蘇揚州人, 揚州大學附屬中學高級教師, 學士, 從事中學物理教學與研究工作.

文章發在表《物理實驗》 2017,02(37),57-59

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