磁場(chǎng)強(qiáng)度和安培力是物理教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)。F=BIL這個(gè)公式說明了安培力的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流大小以及導(dǎo)線長(zhǎng)度有關(guān)。左手定則反映了電流、磁場(chǎng)以及安培力三者的方向。然而,由于磁場(chǎng)看不見、摸不著,對(duì)學(xué)生而言非常抽象;而且由于安培力實(shí)在太小,一般學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)備根本無法去測(cè)定安培力,給安培力蒙上了一層神秘的面紗。因此,如何方便地測(cè)定安培力,并演示出安培力、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流大小以及導(dǎo)線長(zhǎng)度四者之間的關(guān)系顯得極為重要。
本人經(jīng)過一段時(shí)間的研究、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),其實(shí)在一般中學(xué)實(shí)驗(yàn)室、特別是高中實(shí)驗(yàn)室中,完全具有測(cè)量、演示安培力的實(shí)驗(yàn)條件,只是有些設(shè)備并不在物理實(shí)驗(yàn)室中,導(dǎo)致一些物理老師以及實(shí)驗(yàn)員無法完成本實(shí)驗(yàn)。
完成本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于使用化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的電子分析天平,并對(duì)電子天平進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。我們知道,電子天平測(cè)量的是質(zhì)量,我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的是力,而目前市場(chǎng)上還沒有可以直接測(cè)量力的數(shù)字化儀器。我所改進(jìn)的電子天平就可以方便地解決這個(gè)問題,使電子天平的顯示屏上可以直接顯示出導(dǎo)線所受的力。由于電子分析天平測(cè)量精度高,一般其精度可達(dá)1‰克或者更高。經(jīng)過改進(jìn)的電子天平同樣也具有以上的優(yōu)點(diǎn)。
本實(shí)驗(yàn)裝置共分為五部分,分別是電子分析天平、實(shí)驗(yàn)支架、切換開關(guān)、導(dǎo)線框、恒流恒壓電源。
實(shí)驗(yàn)裝置的安裝
首先將電子分析天平置于支架上放中央,而后將導(dǎo)線框懸掛在電子分析天平底部;斷開電鍵,連接恒流恒壓電源與裝置的輸入接線柱。
實(shí)驗(yàn)裝置的使用
打開電子分析天平的電源,并預(yù)熱1分鐘以提高測(cè)量精度;
打開恒流恒壓電源開關(guān),用一根短導(dǎo)線將輸出端短接,調(diào)節(jié)電流粗調(diào)和微調(diào)旋鈕,選擇合適的電流。然后移去短路線;
在支架底部放置磁鐵使之形成磁場(chǎng);
通過電鍵選擇合適的導(dǎo)線長(zhǎng)度;
讀取此時(shí)電子分析天平上的數(shù)值(單位為×10-3牛頓)。即此時(shí)導(dǎo)線所受的安培力的大小。若數(shù)值為正,表示安培力的方向向下,數(shù)值為負(fù),表示安培力的方向向上。
重復(fù)上述步驟,其中,在步驟2、3、4中可分別改變電流、磁場(chǎng)及導(dǎo)線長(zhǎng)度,使用控制變量法觀察數(shù)據(jù)的變化情況。
觀察可發(fā)現(xiàn),所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都符合公式F=BIL,并且,在不改變磁場(chǎng)的情況下,無論電流及導(dǎo)線長(zhǎng)度如何改變,導(dǎo)線所受安培力與電流和導(dǎo)向長(zhǎng)度的乘積的比值為恒量,即B=F/IL,說明了在磁場(chǎng)中的某一確定點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為恒量。
本實(shí)驗(yàn)裝置使得安培力的測(cè)定變得極為簡(jiǎn)單,安培力、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流大小以及導(dǎo)線長(zhǎng)度四者之間的關(guān)系的演示也更為直觀、清晰。通過本裝置可以將常規(guī)的定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉?shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)
本實(shí)驗(yàn)裝置雖然使用簡(jiǎn)單,效果明顯,但仍然存在體積過大,組裝不夠簡(jiǎn)便的缺點(diǎn)?,F(xiàn)在正對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的改造,使其體積能進(jìn)一步縮小,電子天平、恒流電源、測(cè)試架等所有的裝置可以一體化、小型化、輕量化,進(jìn)一步提高使用的簡(jiǎn)便