自制可定量測(cè)量的安培力演示儀

線圈受到的彈簧的力矩和受到的安培力的力矩相等 時(shí)，線圈達(dá)到平衡．此時(shí) Ｆ安 Ｒｃｏｓθ＝Ｆ拉 Ｒｃｏｓθ＝ κＬＲｃｏｓθ＝ｋ２πｒθ ２π Ｒｃｏｓθ 其中θ為線圈偏轉(zhuǎn)的角度，κ為彈簧的勁度系數(shù)，ｒ?yàn)?彈簧的力臂，Ｒ 為安培力的力臂，Ｌ 為彈簧拉伸的長(zhǎng) 度．　 教材及教 學(xué) 中 一 般 通 過(guò) 傳 統(tǒng) 演 示 儀 器 定 性 探 究安培力的大小與導(dǎo)線電流、導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度 的關(guān)系，但由于教材所用傳統(tǒng)儀器的局限，無(wú)法探究 安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，也不能對(duì)影響安 培力大小的３個(gè)因素進(jìn)行定量探究．通過(guò)自制的安 培力演示儀，不僅可以對(duì)影響安培力大小的３個(gè)因 素的猜想進(jìn)行定性驗(yàn)證，而且能夠定量探究安培力 大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流大小和導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng) 度的關(guān)系，從而突破了傳統(tǒng)儀器的局限，讓學(xué)生經(jīng)歷 從定性到定量的完整的探究過(guò)程． 以 下 從 自 制 可 定 量 測(cè) 量 的 安 培 力 演 示 儀 的 簡(jiǎn) 介、實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟與使用方法等幾個(gè)方面加以 展示，還就使用效果、注意事項(xiàng)等做了說(shuō)明。

如下圖所 示，用以探究勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，電流和磁場(chǎng)垂直情況下影響安培力大小的因素 及其定量關(guān)系． 下圖為安培力演示儀

１.１ 功能

探究影響安培力大小的因素：（１）電流；（２）磁 場(chǎng)強(qiáng)弱；（３）導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度，并能夠研究三者之間的定量關(guān)系．

（１）定量化測(cè)量 儀器使用滑動(dòng)變阻器和電流表可以改變和測(cè)量 線圈中的電流，通過(guò)增加蹄形磁鐵的個(gè)數(shù)可以定量 改變導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度，通過(guò)蹄形電磁鐵可以改 變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，通過(guò)杠桿放大原理放大安培力，從而 定量地測(cè)量出安培力的大?。虼?，該儀器可以定量 地探究安培力大小的計(jì)算公式．

（２）簡(jiǎn)潔直觀，操作方便 利用強(qiáng)磁場(chǎng)，簡(jiǎn)單、直觀地展示出通電直導(dǎo)線在 磁場(chǎng)中的受力情況，并且通過(guò)滑動(dòng)變阻器改變線圈 和蹄形電磁鐵的電流并在電流表中顯示出來(lái)；通過(guò) 增加蹄形磁鐵的個(gè)數(shù)改變導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度，操 作簡(jiǎn)單，直觀明顯．

本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，定量地改變線圈中的 電流大小、磁場(chǎng)強(qiáng)弱和導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度；利用杠 桿放大原理定量地測(cè)量安培力的大?。芯堪才嗔?與３個(gè)變量之間的定量關(guān)系Ｆ＝ＢＩＬ． 線圈通電以后，在磁場(chǎng)中的導(dǎo)線就會(huì)受到安培 力的作用，線圈就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，安培力越大線圈偏轉(zhuǎn) 的角度就會(huì)越大，由刻度盤上的刻度就可以讀出安 培力的大?。?本實(shí)驗(yàn)儀器采用以下方法改變電流大小、磁場(chǎng) 強(qiáng)弱和導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度．該儀器由兩個(gè)支路所 組成（圖２），右邊的支路是用來(lái)控制線圈中的電流 的，通過(guò)滑動(dòng)變阻器改變支路上的電阻，從而改變支 路上的電流，用電流表可以讀出電流的大?。蛔筮叺?支路用來(lái)控制蹄形電磁鐵的電流，同樣也是用滑動(dòng) 變阻器改變電路中的電流，用電流表讀出電流的大 ??；導(dǎo)線的長(zhǎng)度則用增加蹄形磁鐵的個(gè)數(shù)來(lái)改變． 由于安培力是一個(gè)微小量，所以本實(shí)驗(yàn)通過(guò)使 用磁場(chǎng)較強(qiáng)的蹄形磁鐵、增加線圈匝數(shù)（１５０匝）、增 加線圈電流（最大電流可達(dá)２．５Ａ）等方法以及杠桿 放大原理，增加安培力的大?。?本實(shí)驗(yàn)儀器刻度是均勻的．因?yàn)?，在誤差允許的 范圍以內(nèi)，可以認(rèn)為彈簧拉力的方向垂直向下。

（１）實(shí)驗(yàn)前斷開全部開關(guān)，插上電源，把滑動(dòng)變 阻器調(diào)到阻值最大處．

（２）把兩個(gè)蹄形磁鐵橫跨在左邊或者右邊的線 圈上．

（３）閉合開關(guān)Ｓ１ 和Ｓ２ 給線圈通電．

（４）通過(guò)滑動(dòng)變阻器Ｒ１ 改變線圈中的電流，觀 察指針的偏轉(zhuǎn)情況．

（５）分別記錄電流表 Ａ１ 和安培力的大小，探究 安培力大小與電流的定量關(guān)系．

（１）將線圈中的電流調(diào)至１Ａ，斷開Ｓ１ 和Ｓ２．

（２）將蹄形磁鐵換成蹄形電磁鐵，閉合Ｓ１，Ｓ２ 和 Ｓ３．

（３）改變滑動(dòng)變阻器Ｒ２ 的阻值，改變蹄形電磁 鐵中的電流．觀察指針的偏轉(zhuǎn)情況．

（４）分別記錄電流 表 Ａ２ 和安培力的大?。ㄒ?為蹄形電磁鐵所產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)弱和通過(guò)它的電流呈正 比關(guān)系，因此可以用電流表示它磁場(chǎng)的強(qiáng)弱．）。

（１）斷開Ｓ１，Ｓ２ 和Ｓ３，把蹄形電磁鐵換成蹄形磁 鐵．

（２）閉合Ｓ１ 和Ｓ２，讀取和記錄安培力的大?。?/span>

（３）斷開Ｓ１ 和Ｓ２，增 加 一 個(gè) 蹄 形 磁 鐵，再 閉 合 Ｓ１ 和Ｓ２．記錄安培力的大?。?/span>

（４）斷開Ｓ１和Ｓ２，增加一個(gè)蹄形磁鐵，再閉合Ｓ１ 和Ｓ２．記錄安培力的大?。?以上實(shí)驗(yàn)完成后必須斷開全部開關(guān)，并把滑動(dòng) 變阻器調(diào)到最大值．

本實(shí)驗(yàn)儀器可以做到定性和定量相結(jié)合． 定性實(shí)驗(yàn)效果明顯．雖然儀器內(nèi)存在一些阻力， 但是對(duì)于定性觀察而言，由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，這 些阻力不會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于中學(xué)課堂的定性 探究效果非常好． 由于儀器為手工制作，用于定量實(shí)驗(yàn)時(shí)存在著 一定的誤差，但是該誤差不大，可以滿足中學(xué)物理課 堂實(shí)驗(yàn)的需要．所以儀器能很好地定量探究安培力 與３個(gè)變量的關(guān)系．

（１）本裝置采用 大 尺 寸 制 作，可作為教師的課 堂演示儀器使用．利用本裝置可使學(xué)生牢固掌握安培力的測(cè)量方法，影響安培力的因素等．并且還可以 在探究的過(guò)程中提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)掘?qū)W生的 獨(dú)立探究能力．除此之外，還能從實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)方 法上給予學(xué)生啟迪．

（２）本裝置也可作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)儀 器，通 過(guò) 學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力、協(xié)同合 作能力和團(tuán)隊(duì)精神．

該儀器可以在接線柱處設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)，從而可 以改變電流的流向，和改變磁場(chǎng)的方向，探究安培力 的方向和驗(yàn)證左手定則．

本實(shí)驗(yàn)裝置尺寸為，底座３２ｃｍ×３２ｃｍ；垂直 面板３２ｃｍ×６４ｃｍ；刻度盤３２ｃｍ×３２ｃｍ；線圈匝 數(shù)１５０匝；支架高度６ｃｍ；電源適配器２４Ｖ，４Ａ；電 流表最大量程為３Ａ；滑動(dòng)變阻器最大阻值為５０Ω， 最大可通過(guò)電流為２Ａ．

（１）開始實(shí)驗(yàn)前要把指針調(diào)到刻度盤的中央．   

（２）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流比較大，不宜長(zhǎng)時(shí)間通電．

（３）在取放磁體時(shí)要輕拿輕放，以免損壞磁體．

（４）由于該磁鐵 是 強(qiáng) 磁 鐵，因 此 在 實(shí) 驗(yàn) 的 過(guò) 程 中不要將手表、手機(jī)等靠近磁鐵．