定量探究磁场对电流作用的实验设计

作为核心组成员，笔者参与了江苏省教育科学“十二五”重点课题《基于“项目模块法”的中学理科实验教学的行动研究》，对如何让学生变定性研究为定量探究进行了实践，在成功地进行定量探究向心力[1]、摩擦力[2]的基础上，最近对安培力的定量探究实验又做了一番思考.

“探究影响安培力大小因素”的实验是高中物理的重要内容.人教版选修1-1（31页）和3-1（83～84页）[3]都以相同的演示实验，让学生进行研究.然后用相同的方法得出结论：“分析了很多实验事实后人们认识到，通电导线与磁场方向垂直时，它受力的大小既与导线的长度L成正比，又与导线中的电流I成正比，即与IL成正比，用公式表示为F=BIL.”

笔者认为，突出物理学的人文特色的选修1-1[4]做这样的安排无可非议.但作为侧重让学生较全面地学习物理学的基本内容，进一步了解物理学的思想和方法的选修3-1[4]，在探究的层次上应该比选修1-1有所提高.影响安培力大小因素的探究实验设计，应有利于学生通过实验数据的收集、归纳和推理，能从中得出公式F=BIL.从这一思路出发，我设计了如图1所示的设计电路，变定性研究为定量探究，取得了较好的教学效果.现将设计思路和探究过程做一梳理.

一、设计思路

1. 如何测量安培力的大小？

由于本实验测量的是作用在一根通电直导线上的安培力，其测量值非常小，只有0.01 N左右.普通的弹簧测力计的精度（0.1N）显然不能满足定量探究的需要.为此改用电子秤来测安培力的大小，其称量为200 g，感量为0.01 g.转化为测力计，其称量为2 N，感量为0.0001 N，能满足测安培力大小的需要.利用其“去皮”功能，能直接测出安培力，并用电子秤示数的正与负表示安培力的方向.若示数为正，说明受到安培力的方向向下；若示数为负，说明受到安培力的方向向上.

测量时，将电子秤置于匀强磁场中，直导线放在电子秤的秤盘上，“去皮”归零后，闭合开关，电流通过直导线，读出电子秤的示数，其示数的10-2倍即为安培力的大小，单位为N.

2.怎样改变电流的大小？

利用如图3所示的学生电源，用改变电源电压的方法来改变电流的大小，并通过电流表直接显示.同时采用功率为10 W、阻值为5 Ω的绕线电阻R来保护电路.

3.怎样改变导线的长度？

用14 cm长的裸铜线作为直导线，焊5个连接点，安置在图4所示的导线架上，并连接到五个接线柱上.选择不同的接线柱，可方便地改变置于匀强磁场中的导线长度，分别为14 cm、12 cm、10 cm和8 cm.

4.怎样改变磁场的强弱？

用图5所示的两个长15 cm、高1 cm、厚1 cm 的钕铁硼强磁铁代替蹄形磁铁，增强匀强磁场的宽度，达15 cm.将其放在两根下面有与仪器架连接的一排铁螺钉、上面有长度刻度线的导轨上.利用磁体的吸铁性使其与导轨固定，利用刻度线确定强磁铁之间的距离，移动强磁体在导轨上的位置来改变磁体间的距离d.

5. 怎样描述力、电流、磁场三者方向的关系？

用箭头直观地描述电流方向（向左“”或向右“”）和磁场方向（进去“×”或出来“・”），用电子秤显示数的正负描述安培力的方向（向下“”或向上“”），从中归纳出用左手定则来判定安培力的方向.

二、制作仪器

根据上述设计思路，制作安培力探究仪，并将其与高中学生电源、电流表、保护电阻按图1所示电路图连成电路，其实物照片如图6所示.用它可以非常方便地定量探究影响安培力F大小的三个因素（电流大小I、磁场强弱B、导线长短L，其中导线与磁场方向垂直），揭示出描述安培力的方向与电流方向、磁场方向之间关系的方法（左手定则）.

三、探究过程

1. 探究安培力的大小与电流大小的关系

将两个强磁体放置在导轨上，使其间的距离为10 cm，使匀强磁场的强度一定.再将A、E两个接线柱连入电路中，磁场中导线的长度保持14 cm不变、直导线位于匀强磁场的中间，与强磁铁平行.改变电源电压，读出与其相对应的电流表和电子秤的示数，将其记录在设计的表1中.

表1

将表1中的数据画成如图7所示的安培力随电流变化的函数图像.由图像可知：在保持磁感应强度（1.66×10-2 T）、导线的长度（14 cm）不变时，垂直于磁场方向的通电直导线，受到安培力F的大小，与导线中的电流I成正比.

2. 探究安培力的大小与导线长度的关系

在上述实验序号1的基础上，分别改变相应的接线柱，使A、D（12 cm），B、D（10 cm），C、D（8 cm）分别先后接入电路，闭合电源开关，分别读出电子秤的示数，并记录在表2中.

表2

将表2中的数据画成如图8所示的安培力随匀强磁场中导线长度变化的函数图像.由图像可知：在保持磁感应强度（1.66×10-2T）、导线中的电流（1.46A）不变时，垂直于磁场方向的通电直导线，受到安培力F的大小，与导线的长度L成正比.

3. 探究安培力的大小与磁场强弱的关系

在探究1实验序号1的基础上，在导轨上移动强磁体的位置，改变它们间的距离d，使其分别为8 cm、6 cm、5 cm、4 cm.闭合电源开关，分别读出电子秤的示数，并换算成磁场的强弱B（B为磁感应强度），记录在表3中.

表3

分析表中第2行和第3行的数据可知，两个相同的强磁体组成的匀强磁场，其磁感应的强度随磁极间距离的减小而增大.再将表3中第3行和第4行的数据画成如图9所示的安培力随磁场的强弱而变化的函数图像.由图像可知：在匀强磁场中，导线的长度（0.14 m）、电流一定时（1.46 A），垂直于磁场方向的通电直导线，受到安培力F的大小与磁感应强度B成正比.

4. 探究安培力的方向与电流方向、磁场方向之间的关系

分别改变电流方向（由“”改变为 “”）和磁场方向（由“×”改变为“・”），查看电子秤示数的正负（“”为正，“”为负），并把三个方向分别记录在表4中.

表4

分析表4中的实验现象可知：安培力的方向与电流的方向、磁场的方向都有关，三者之间的方向关系可用左手定则来描述：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，且都跟手掌在同一个平面内，让磁感线直穿入手掌心，使四指指向电流方向，则大拇指所指的方向，就是安培力的方向，如图10所示.再让学生用左手定则逐一验证表4中实验序号1（或2、或3、或4）中三个方向之间的关系.

四、得出结论

综上分析可得：通电直导线在磁场中受到安培力F的大小，与电流的大小I成正比，与导线的长度L成正比，与磁感应强度B成正比.由此可得计算安培力的公式F=ILBsinθ.

其中的B为磁感应强度，它是描述磁场强弱和方向的一个物理量. 其大小为B=F/IL，单位为特斯拉（T），简称特.表3中的B1=1.66×10-2 T、B3=1.76×10-2 T、B4=1.91×10-2 T、B5=2.01×10-2 T、B2=2.14×10-2 T，都是利用公式B=F/IL，将I=1.46 A、L=0.14 cm和F1=0.34 N、F2=0.36 N、F3=0.39 N、F4=0.41 N、F5=0.44 N等数据分别代入计算而得的.

五、教学探讨

对于探究影响安培力大小因素实验的教学，若采用传统的教学方法，教师会直接根据教材的安排，通过演示实验（插图3-2-1）后，让学生直接阅读“分析了很多实验事实后人们认识到，通电导线与磁场方向垂直时，它受力的大小，既与导线的长度L成正比，又与导线中的电流I成正比，即与I L成正比，用公式表示为F=BIL”.这样的教学，表面上学生也经历了探究，事实上学生的思维是禁锢的.这样的教学显然缺乏严谨的探究过程，公式的得出显得苍白无力，这对教学条件比较好的重点中学的理科学生而言，是无法落实科学探究这一目标的.

本人认为，在物理规律教学尤其是得出定量公式的教学之前，教师应该认真研究如何让学生经历物理规律乃至公式的发现过程，就需要对教材进行二次创造.以学生原有的认知水平为思维起点，创设与规律或公式的真实发现过程相似的情境，变定性研究为定量探究，引导学生经历物理学家的发现过程，从而提升学生的思维能力，丰富学生的思维品质.

参考文献：

[1] 方红霞. 向心力探究仪[J].物理教学，2013（2）：23～26.

[2] 方红霞. 多功能摩擦力实验仪[J].中学物理教学参考，2013（4）：93～94.

[3] 张大昌.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1[M]. 北京：人民教育出版社，2007.

[4] 张大昌. 普通高中物理课程标准（实验）简介[M]. 北京：人民教育出版社，2006.