胡安正 趙顯偉

摘要：安培力是物理學(xué)中十分重要的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。然而目前很少見(jiàn)到較為理想的安培力演示裝置。巧妙利用光杠桿的微小放大作用，將微小安培力進(jìn)行放大而研制出的安培力微小放大演示儀，是一款極具新穎性、創(chuàng)新性和探索性實(shí)驗(yàn)裝置。

關(guān)鍵詞：安培力；磁感強(qiáng)度；光杠桿作用；微小放大

1設(shè)計(jì)思想

安培力在物理學(xué)中有十分重要的應(yīng)用，但是，實(shí)際上實(shí)驗(yàn)室中所產(chǎn)生的安培力往往較小，很難被觀察到。經(jīng)探究發(fā)現(xiàn)，若應(yīng)用微小放大的原理，可以將微小的安培力的被明顯地觀察到。于是利用光的杠桿放大原理設(shè)計(jì)研制出這款安培力微小放大演示儀，演示效果明顯。另外，由公式F=BILsinθ不難看出，影響安培力F大小的因素有磁感強(qiáng)度、通電電流、導(dǎo)體長(zhǎng)度和磁場(chǎng)與通電電流之間的角度，實(shí)踐中，改變通電電流的大小比較容易實(shí)現(xiàn)。

2實(shí)驗(yàn)原理

(1)安培力的產(chǎn)生原理：電流是導(dǎo)線中自由電子在電場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)形成的。由物理原理可知宏觀量電流，與相應(yīng)微觀量的關(guān)系為I=△AQ/A△t=envS，每個(gè)電子所受到的洛侖茲力f=evB，所以，導(dǎo)線dl段受到的安培力就是其中各自由電子定向運(yùn)動(dòng)所受洛侖茲力之和，其中包含的自由電子的總數(shù)為nSA2，所以這段導(dǎo)線最終受到的力為F=nSdl·f=nSAlevB=B△l(enSv)=B△lI。這正符合安培力：F=BILsinθ的計(jì)算公式。

(2)光杠桿微小放大原理：如圖2所示，當(dāng)置于棟梁上的平面鏡旋轉(zhuǎn)θ角時(shí)，來(lái)自于激光筆的入射光與被平面鏡反射后的反射光之間的夾角增大為2θ。由于光程較大，這個(gè)微小的2θ，投射在刻度尺上后被放大很多倍，從而使微小的偏轉(zhuǎn)被顯著放大，這便是光杠桿微小放大原理。

3實(shí)驗(yàn)儀制作與結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要包括：①刻度尺，②激光筆，③平面鏡，④橫梁，⑤導(dǎo)體棒，⑥U型磁鐵，⑦底座，⑧電源，⑨滑動(dòng)變阻器，⑩導(dǎo)線。

實(shí)驗(yàn)儀制作：如圖2所示，將U型磁鐵倒立并使其U形面與刻度尺和平面鏡組成的平面平行放置于底座的平板上，將其固定。讓導(dǎo)體棒垂直于磁鐵的U型面而置于U形槽中，平面鏡垂直鑲嵌在橫梁上，在導(dǎo)體棒兩端用導(dǎo)線分別連接滑動(dòng)變阻器、電源，形成回路。

4演示實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的成因分析

①調(diào)節(jié)橫梁后面的配重物，使支柱上橫梁處于水平狀態(tài)；

②連接好電路裝置，接通電源給整個(gè)裝置通電，在接通的瞬間，可觀察到導(dǎo)體棒中產(chǎn)生安培力使橫梁轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使平面鏡發(fā)生傾斜，導(dǎo)致激光筆發(fā)出的光被“運(yùn)動(dòng)”后的平面鏡反射，反射光線與入射光線形成較大的夾角2θ，并且在刻度尺上得到較大的激光點(diǎn)位置改變。

5功能特點(diǎn)及效果分析

(1)本實(shí)驗(yàn)儀巧妙利用光杠桿所產(chǎn)生的微小放大作用，將微小安培力顯著的呈現(xiàn)出來(lái)，將抽象的物理原理具體化、形象化，便于人們理解。

②本實(shí)驗(yàn)儀可調(diào)控性強(qiáng)，由安培力公式F=BILsinθ可知，既可通過(guò)調(diào)控電源和電阻的大小來(lái)改變導(dǎo)體棒中的電流，的大小，也可通過(guò)調(diào)控導(dǎo)體棒與U形磁鐵間的夾角來(lái)改變sinθ大小，從而改變安培力的大小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯著、直觀。

③集“力、電、光”等知識(shí)于一身，知識(shí)含量豐富，探究性和挑戰(zhàn)性強(qiáng)，能很好地激發(fā)同學(xué)們探索科學(xué)的興趣，是一種很好的“綜合性、探索性、創(chuàng)新性”演示實(shí)驗(yàn)裝置。