探索安培力實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)
探索安培力是高中物理教學(xué)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)
了解安培力，學(xué)會(huì)判斷安培力的方向和計(jì)算均勻磁場中安培力的大小。
安培力演示設(shè)備不夠理想，學(xué)生難以理解安培力的定量關(guān)系。
（F=BIL）有著深刻的理解。為此，作者設(shè)計(jì)了兩套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，探索
力的大小和方向的規(guī)律。
1. 背景
中學(xué)演示安培力的設(shè)備主要是J2447安培力演示器。
用于演示磁場中直導(dǎo)體所受的力，使學(xué)生理解安培力的原理。
以及安培力、電流方向、磁場方向的關(guān)系。
安培力演示器是演示安培力的主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備，但實(shí)際演示效果并不理想。
例如，滾動(dòng)絲與導(dǎo)軌經(jīng)常接觸不良，導(dǎo)致演示實(shí)驗(yàn)失??；儀器的可視范圍比較
另外，載流導(dǎo)線平行于磁場方向和垂直于磁場方向的兩種不同情況的證明是
如果學(xué)生想了解安培力的影響，他們需要拆卸并重新組裝兩個(gè)通電軌道。
J2447安培力演示器無法演示小的三個(gè)因素。
為了讓學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)中的安培力及相關(guān)影響因素，作者設(shè)計(jì)了
制作了兩套用于安培力教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備：安培力演示儀、安培力探索實(shí)驗(yàn)儀。
2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備制作
1.安培力演示儀
制作底座和導(dǎo)軌
首先，選取一塊60cm×20cm的木板作為基底，對(duì)其表面進(jìn)行打磨、上漆。
然后，切割兩條60cm×2cm的銅條，用它們支撐
用錘子將其敲平后，再用砂紙打磨表面，去除表面的氧化物。
在底板上鉆孔安裝，銅條間距保持10cm。
連接到銅條并用焊料固定。
產(chǎn)生均勻磁場
磁場由兩塊相對(duì)放置的15cm×10cm磁鐵組成，具體操作過程如下：
在合金管上挖四個(gè)10cm×2cm的方孔，然后將兩塊磁鐵放入其中。
用不銹鋼棒制作一個(gè)U型支架，最后在支架上安裝兩塊包覆鋁合金管的磁鐵。
裝置示意圖如圖1所示。
圖1
2. 探索安培力實(shí)驗(yàn)裝置
產(chǎn)生強(qiáng)大均勻的磁場
此均勻磁場主要用于安培力實(shí)驗(yàn)的定量探索，因此所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)較
磁場由兩塊15cm×10cm磁鐵相對(duì)放置組成，首先在鋁合金管上挖4個(gè)孔。
然后將鋁合金管套在兩塊磁鐵上，并相對(duì)放置，使兩塊磁鐵
鐵片之間的距離為5cm，最后將磁鐵固定在木板上。
制作線圈
線圈采用抽頭設(shè)計(jì)法，首先用鋁合金制作一個(gè)方形線圈支架，繞制線圈時(shí)
當(dāng)繞N圈時(shí)，引出一個(gè)端子，當(dāng)繞2N圈時(shí)，引出第二個(gè)端子，最后當(dāng)繞3N圈時(shí)，
引出第三根線端（如圖2所示）。
圖 2
3.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1. 探索安培力的方向
本課的重點(diǎn)之一是利用左手定則確定安培力的方向。
安培力演示器已完成。
演示電流方向垂直于磁場方向的情況
將底座水平放置，將磁鐵置于底座中間，將導(dǎo)線置于導(dǎo)軌上。
它位于兩塊磁鐵之間。最后，將軌道上的導(dǎo)線、干電池和電流表串聯(lián)起來。
連接好（如圖3）。
圖片 3
當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，可以觀察到電流表上的指針擺動(dòng)，證明電路中有電流流過。
此時(shí)注意觀察直導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)情況，改變電流和磁場的方向，觀察直導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)情況。
電線的移動(dòng)。
演示電流方向與磁場方向平行的情況
實(shí)驗(yàn)設(shè)備參考第一種情況，只需要改變磁鐵的位置，將磁場方向與導(dǎo)線放在同一個(gè)方向即可。
當(dāng)接通開關(guān)時(shí)，電流表的指針會(huì)偏轉(zhuǎn)，此時(shí)要注意觀察導(dǎo)線的動(dòng)向。
然后改變電流和磁場的方向，分別觀察直導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
這套實(shí)驗(yàn)裝置的演示效果非常明顯，僅用一節(jié)1.5V干電池，就能實(shí)現(xiàn)直導(dǎo)
同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)中串聯(lián)了電流表，學(xué)生可以直接觀察電路中流動(dòng)的電流。
當(dāng)老師演示磁場與電流方向平行的情況時(shí)貝語網(wǎng)校，學(xué)生可以直接觀察電路
雖然直線導(dǎo)線中流過電流，但是電流是靜止的。
消除學(xué)生在J2447安培力演示器中遇到的疑惑：也許電路中沒有電流，這會(huì)導(dǎo)致
直線不能移動(dòng)。
這套實(shí)驗(yàn)設(shè)備除了可以清晰地演示實(shí)驗(yàn)之外，還有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，在改變磁場方向時(shí)，
操作簡單，不需要像J2447安培力演示器那樣拆卸和重新安裝導(dǎo)軌。
穩(wěn)定性高。由于導(dǎo)軌采用銅條設(shè)計(jì)，增加了直絲與導(dǎo)軌的接觸面積。
確保直絲與導(dǎo)軌有效接觸。
2.探究影響安培力大小的因素（磁場方向垂直于載流導(dǎo)線）
實(shí)驗(yàn)設(shè)備：J1209高中教學(xué)電源、數(shù)據(jù)采集器（含力傳感器、磁場強(qiáng)度傳感器
傳感器）、自制線圈、滑動(dòng)變阻器、電流表、自制均勻磁場。
將設(shè)備歸零。
實(shí)驗(yàn)裝置如圖4和圖5所示。
圖 4 圖 5
當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和線圈工作電流I一定時(shí)，探究安培力F與線圈長度L的關(guān)系。
關(guān)系
實(shí)驗(yàn)時(shí)保持線圈電流I=1.5A，通過在線圈上連接不同的端子來改變電流。
電線圈在磁場中的有效長度。測(cè)量的安培力值如表1所示。
表格1
當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和線圈長度L一定時(shí)，探究安培力F與線圈工作電流I的關(guān)系。
關(guān)系
實(shí)驗(yàn)時(shí)安培力方向判斷，接在電路中的線圈長度保持為3l，改變滑動(dòng)變阻器的阻值。
改變通電線圈的工作電流。測(cè)量值如表2所示。
表 2
當(dāng)線圈工作電流I、線圈長度L一定時(shí)，探究安培力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系。
關(guān)系
實(shí)驗(yàn)時(shí)，線圈電流I保持在1.5A，接入電路的線圈長度保持在3l。
雙磁鐵法改變磁感應(yīng)強(qiáng)度（如圖4、圖5所示）。測(cè)量值如表3所示。
表3
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過以上三組數(shù)據(jù)，我們可以觀察到安培力F的大小與電流強(qiáng)度I、線圈長度有關(guān)。
第三組數(shù)據(jù)，探究安培力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，安培力隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而增大。借助上述設(shè)備，老師可以
安培力定律的求解非常簡單，而且實(shí)驗(yàn)是老師現(xiàn)場做的安培力方向判斷，可信度很高。
同時(shí)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有了感性的認(rèn)識(shí)，有助于理解安培力的有關(guān)規(guī)律。
法律也很有幫助。
4. 設(shè)計(jì)反思
兩套實(shí)驗(yàn)設(shè)備的演示效果很好，學(xué)生可以直觀地觀察和了解物體的大小和
方向律可以讓老師輕松完成新課程標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于探索安培力的教學(xué)要求。
該儀器在演示實(shí)驗(yàn)過程中也存在一些不足，例如當(dāng)需要改變磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，操作相對(duì)復(fù)雜。
如果磁場是由電磁鐵提供的，那么改變磁感應(yīng)強(qiáng)度就方便多了。
參考
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