安培力定量演示仪的设计与实验教学，本文主要内容关键词为：安培力论文,定量论文,演示论文,实验教学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、仪器设计背景
现有高中物理教材中关于安培力有两方面的实验：一是如何确定安培力的方向，二是研究安培力的大小取决于哪些因素。
1.安培力的方向
传统的实验装置如图1所示，用通过电流I的导体ef在水平轨道ab，cd上运动显示它在磁场B中受到了安培力。在此特定条件下，导体运动v的方向恰好与安培力F的方向一致，在初中讨论安培力的方向，如此即可。但在高中，若将磁场B改为非竖直方向（如图2所示），或使导体ef不与轨道垂直（如图3所示），会看到ef仍然沿轨道水平运动。这表明在这种条件下，由v的方向并不足以判定安培力F的方向。原因是其运动受到了轨道的约束。再者，对于I与B不垂直的情况（如图4所示），更没有合适的实验来正确显示F的方向。
安培力定量演示仪解决了上述问题，能够直接、正确地显示F的方向总是垂直于I与B所决定的平面。
2.安培力的大小
定量验证公式：F=BILsinθ。
传统的仪器是20世纪80年代研制的“电流天平”，能够相当精确地验证F与B，I，L的关系。不足之处是：不能验证F与I跟B的夹角θ的关系，使用杠杆平衡测力不便于操作，需要配备大电流（3～5A）直流电源。
安培力定量演示仪采用钕铁硼强磁体形成较大空间的磁场，灵敏的数字电子秤测力解决了上述问题，适于做定量测量和全面验证。
二、仪器设计要点
安培力定量演示仪设计新颖，改变了过去常规仪器的束缚，创造了一种新的实验方法。采用钕铁硼强磁体作为磁场源，磁性极强。采用超级电容作为电源，可以产生一般电源不能供给的大电流。加之设计中采用了特殊技术，使金属棒可以跳起明显可见的高度，克服了金属棒在通电的一刹那，作用时间过短，合力的冲量太小，金属棒的动量变化不大的状况。还可以用微小力传感器测量安培力的大小。
安培力公式为F=BILsinθ，使用数字电子秤（量程2N，感量0.001N）测量安培力F与电流I大小的数量关系；改变线圈在磁场中的长度L，可以研究安培力F与L的关系；改变磁感应强度B，可以研究安培力F与B的关系；改变磁场与电流方向的夹角，可以研究安培力F与夹角的正弦值sinθ的关系。用电子表格描绘图像。也可以使用力传感器和电流传感器测量安培力和电流，用软件描绘图像。仪器实物图如图5所示。
三、仪器设计原理
（1）水平磁场B向左，金属棒中电流I水平向里，金属棒在竖直方向受到两个力的作用：重力G竖直向下，安培力F竖直向上，金属棒受到的合力竖直向上，当合冲量达到一定大小时，金属棒向上跳起（如图6所示）。
（2）如图7a所示，
为钕铁硼强磁体，a，b为电极，c为空心铜管，其质量约为2.2g。a，b与超级电容器（120F，2.7V）连接，该电容器充电后作为电源，放电时电流很大，能够满足安培力的需要。在铜管与磁感应强度B成某一夹角（小于90°）的情况如图7b所示，当铜管中通以电流时，则受到钕铁硼强磁体磁场的安培力，铜管向上跳起。图7b中的铜管c与磁场方向B成某一夹角的情况，铜管仍然能够向上跳起，说明安培力F的方向与磁感应强度B以及电流I所决定的平面垂直，不一定要将铜管中电流方向与磁场方向垂直来说明安培力的方向。此外，该仪器附带有给超级电容器充电的专用直流电源。
四、实验原理和数据
1.安培力与长度的关系
测量原理如图8所示，长5cm、50匝、3.0Ω的长方形线圈，其下边与磁场方向垂直，下边通电方向使安培力方向竖直向下，线圈用线悬挂在电子秤（量程2N，感量0.001N）上，线圈电路串联安培表测量通过线圈的电流。设线圈的单匝中电流为I，则50匝的总电流为50I，这样可以用较小的电流获得较大的安培力。边长5cm线圈实测数据见表1，安培力与电流的关系如图9所示，说明安培力与电流大小有很好的线性关系。
换用长10cm、宽10cm的正方形线圈，长10cm、宽8cm的长方形线圈，长10cm、宽5cm的长方形线圈在测量电流相同情况下的安培力与长10cm、宽4cm的长方形线圈的安培力进行比较，如下页图10所示，可知安培力大小与磁场中通电导线的长度有关，长度越大，安培力也越大。下页图11是4个不同长度线圈，取电流=0.08A时，安培力与载流导线长度关系图像，数据见下页表2，从图中可以看出安培力与载流导线长度有接近正比的线性关系。
2.安培力与角度正弦的关系
当电流为定值、磁感应强度为定值时，安培力的大小与电流和磁场的夹角θ有关，用边长为5cm的线圈，单匝电流为0.30A时，总电流为15A，安培力的大小与转角大小见表3。安培力与转角正弦值关系见表4，图像如图12所示。
3.安培力与磁感应强度的关系
在研究改变磁感应强度B时采用短路磁场的方法，以达到减弱磁场的目的。磁感应强度用高斯计测量，本实验中采用增强磁场和短路磁场的方法改变磁感应强度。短路磁场的方法：用相同长度的粗铁丝若干根组成一组，共用两组。用边长为5cm线圈，电流为I=0.2A时的数据见表5，图像如图13所示。
4.从实验数据验证安培力公式：F=BILsinθ
以下页表6中数据为例说明。取单匝电流为0.24A，0.40A，0.44A时，各个线圈的安培力实测值与BIL（θ=90°）时的计算值对比可知在一定范围内，证明了公式的数量关系。但磁场中电流长度越大，电流越强，则BIL的乘积和测力计示数的误差就越小。测量结果的误差见下页表7。
五、实验说明
安培力定量演示仪的创新性体现在：
（1）技术上采用了先进的材料和元件：钕铁硼强磁体和超级电容器使仪器的性能得到极大的提高，实验效果极其明显；使用数字测力计（量程2N，感量0.001N），解决了微小的安培力测量问题；使用数字电流表测量电流，可见度明显。
（2）磁感应强度用符合国家标准的磁感应强度测量仪（即高斯计）测量电流线圈长度范围内的平均磁感应强度值，取5个以上点的平均值。
（3）验证安培力公式的误差比较小，完全符合定量研究的需要。用数字测力计测得的安培力值与磁感应强度B、电流I以及电流与磁场夹角的正弦值的乘积值，两者符合得很好，最大误差大约为20%，最小误差不足3%，这就很好地验证了安培力公式。
（4）该仪器用于实际教学时获得教师和学生的一致好评（北京80中、北京22中）。