安培力实验改进的研究.docVIP

安培力实验改进的研究 德阳市第五中学 黄双林 摘 要：定量探究安培力的大小是普通高中物理教科版选修3-1中非常重要的演示实验之一。安培力大小的测量是本实验的关键，而理论表明：一段普通的导线置于普通的磁场中通以普通的电流所受安培力是非常小的，实验室用的弹簧秤根本无法直接测量，即便是灵敏度极高的传感器也有一定的难度。教材中通过增加线圈匝数的方法，增大了在磁场中导线的长度直接放大了安培力而本文通过对课本实验的改进升华，不但保留了课本中的增加线圈匝数的叠加原理同时还创造性的运用杠杆原理放大法，化直接测量为间接测量，轻松实现了对安培力的定量探究。 关键词：安培力、实验、杠杆、放大、改进 一、引言： 《磁场对通电导线的作用——安培力》选自教科版物理选修3-1第三章第二节的知识。本节课的重点是定量探究安培力大小与各量的关系，而理论表明：一段普通的导线置于普通的磁场中通以普通的电流所受安培力是非常小的，实验室用的弹簧秤根本无法直接测量，即便是灵敏度极高的传感器也有一定的难度，所以安培力大小的测量显得尤为重要。教材采用了增加线圈匝数的方案来放大安培力从而测出微小的安培力。具体操作是让N匝线圈的下端处于U形磁铁间（可近似为匀强磁场），用弹簧秤钩住线框另一端，测量安培力与重力之和，减去线框重力便测得了安培力的大小。然后采用控制变量法定量探究安培力与各量的关系，通过建立数据表格分析归纳得出了安培力F与通电电流I和在磁场中的导线长度L的乘积成正比。然而笔者认为，上述实验实际操作起来并不方便，并存在一定的不足。首先线框会因安培力的大小不同而使弹簧的伸长量不同，导致线框在磁场中平衡时位置发生变动，不能保证磁感应强度B的不变，虽然U形磁铁间可近似看成匀强磁场，而实际上U形磁铁空间狭小，边缘效应必须考虑。其次弹簧秤测的是线框重力和安培力之和，其实几乎是重力。虽然增加了线圈的匝数增大了安培力，但同时重力也增大，并未有效增大安培力与重力的比值。且重力越大就会选择劲度系数大的弹簧秤，否则会使形变量很大，而U形磁铁之间的空间是非常有限的。同时这又会导致微小的安培力加上去后弹簧秤的弹力几乎不变，理论上没有问题实际操作起来几乎行不通。基于此，本文采用下初中所学的杠杆原理，利用力矩平衡，放大安培力的力臂，将直接难测的安培力转化为间接易测的弹力从而实现定量探究安培力与通电电流和在磁场中的导线长度的关系，很好地解决了安培力难于测量的问题。 二、结构： 结构图 实物图 本装置的主体框架结构如图，用纯天然、环保的材料木头制成。底部用长50cm、宽20cm、厚2cm的木板作为底座，底座较宽较长是为增加稳度。木板正中间两侧分别固定直径3cm的木柱子，顶端用一小木板盖住用以固定柱子，同时更美观，并且在两柱子的上端等高处钻一小孔。接着选用一直径2cm的木棒作为横杆，正中间钻一孔。随后用一光滑坚硬的细铁钉穿过立柱和横杆上的孔，固定横杆于框架上，使铁钉成为转轴，让横杆可以自由转动。最后在横杆的左端采用图示国定一线圈（线圈上抽两个头引出，顺着横杆、立柱引到底座上，固定于一小铁钉上，作为两接线柱），右端吊一钩码（可手动调节其在横杆上的位置，目的方便平衡的调节）。在距离转轴2cm处固定一绳套，下方吊一弹簧秤，如上图 三、功能与原理： 功能：本实验装置能定量探究安培力与通电电流和在磁场中的导线长度的关系，进而得出安培力F与通电电流和在磁场中的导线长度的乘积成正比这一结论。 原理：线框不通电，适当调节钩码位置，使杠杆在自身重力、钩码及线框和弹簧秤的重力的作用下而平衡（转轴处涂上润滑油，杆可以近似为无摩擦转动，即便有摩擦力因其力臂十分小，获得的力矩很小故对杆的转动的影响可忽略不计）。如图 给线框通电流，处在磁场中的导线受安培力，杠杆不再平衡。此时给弹簧秤施加一适当的拉力（需要注意的是，为了保证拉力大小等于弹簧秤的弹力，需对弹簧秤调零，即在不施加外力时，弹簧秤在自身重力作用下弹簧秤显示的弹力为零），使杠杆再次平衡，此时线圈重力、钩码重力、弹簧秤重力、杆重力四力仍然是平衡力（力矩平衡），故杆可等效为只受安培力和拉力，如图。由力矩平衡可知 通过力矩平衡表达式我们不难发现：在保持安培力的力臂与弹簧秤拉力力臂不变的情形下安培力与弹簧秤拉力成正比，且F拉=F安×L安/L拉。易知极小的安培力乘以足够大的安培力与拉力力臂的比值也可以使得拉力很大，从而能用实验室的弹簧秤轻松间接测出安培力的大小。我们认为安培力得到了放大，放大的倍数为安培力力臂与拉力力臂的比值。如当安培力与拉力力臂之间的比值为50，安培力则放大50倍，同时线圈的匝数设为100匝，安培力再次放大100倍，两次放大安培力最终放大为5000倍，这样便将不