鄧治國(guó) 王韶修

(增城市教育局教研室 廣東 廣州 511300) (增城市新塘鎮(zhèn)新塘中學(xué) 廣東 廣州 511300)

1 引言

2 實(shí)驗(yàn)儀的制作

(1)實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)物圖與電路圖

儀器主要包括電磁鐵,線圈,彈簧測(cè)力計(jì),支架以及電源控制裝置，如圖1.圖2為其電路圖，A1為勵(lì)磁電流計(jì)，A2為線圈電流計(jì).

圖1 實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)物圖

圖2 實(shí)驗(yàn)儀的電路圖

電磁鐵的鐵芯由半閉合的軟磁材料構(gòu)成.勵(lì)磁線圈依次與開(kāi)關(guān)、滑動(dòng)變阻器、電源、電流表串聯(lián)組成閉合回路；彈簧測(cè)力計(jì)上端固定在支架上，下端懸掛線圈;線圈通過(guò)輕軟導(dǎo)線依次與開(kāi)關(guān)、滑動(dòng)變阻器、電源、電流表串聯(lián)組成閉合回路.

(2)制作材料

硅鋼片，直徑0.69 mm和0.35 mm漆包線，鐵架臺(tái)1個(gè)，彈簧1根，直尺1把，12 V穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源1個(gè)，量程3 A的電流表2個(gè)，最大值50 Ω的滑動(dòng)變阻器2個(gè)，水泥電阻2個(gè)，旋鈕螺絲1支，開(kāi)關(guān)3個(gè)，導(dǎo)線若干.

(3)勻強(qiáng)磁場(chǎng)控制裝置

電磁鐵鐵芯是由半閉合的高磁導(dǎo)率軟磁材料構(gòu)成.在閉合的磁場(chǎng)通路做一個(gè)缺口，這個(gè)缺口會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng).鐵芯由硅鋼片(圖3)組成.電磁鐵的勵(lì)磁線圈安裝在鐵芯左右兩側(cè).鐵芯的缺口處左右正對(duì)面要相互平行，鐵芯正對(duì)面的高度要適當(dāng)高些，保證通電線圈受安培力上、下移動(dòng)過(guò)程中始終在正對(duì)面的高度范圍內(nèi).并且將兩個(gè)勵(lì)磁線圈接入電路時(shí)，使兩個(gè)勵(lì)磁線圈在鐵芯中產(chǎn)生相同方向(順時(shí)針或逆時(shí)針)的磁場(chǎng).圖4是勻強(qiáng)磁場(chǎng)控制裝置.

圖3 硅鋼片鐵芯 圖4 勻強(qiáng)磁場(chǎng)控制裝置

(4)通電線圈

圖5 通電線圈 圖6 彈簧測(cè)力計(jì)

線圈是帶有中心抽頭的多匝線圈，在線圈骨架引出三個(gè)接線口，匝數(shù)分別0、50匝、100匝.三個(gè)接線口通過(guò)三根輕軟的導(dǎo)線連接到水泥電阻(起保護(hù)作用)后引到鐵架臺(tái)的三個(gè)固定接線柱上，三個(gè)接線柱分別是0、50匝、100匝，不同的接線柱線圈匝數(shù)n不同，實(shí)現(xiàn)改變導(dǎo)線在磁場(chǎng)的長(zhǎng)度.將通電線圈通過(guò)細(xì)繩與彈簧測(cè)力計(jì)一端連接，彈簧測(cè)力計(jì)另一端與可以上、下調(diào)節(jié)的螺絲連接，螺絲與支架連接，如圖5.

(5)彈簧測(cè)力計(jì)

彈簧測(cè)力計(jì)由勁度系數(shù)100 N/m的彈簧和直尺組成，彈簧的精度是0.01 N，如圖6.

(6)電源控制裝置

儀器的電源是穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源，提供12 V直流電.由三個(gè)開(kāi)關(guān)控制，分別為電源總開(kāi)關(guān)、勵(lì)磁電源開(kāi)關(guān)和通電線圈電源開(kāi)關(guān).通過(guò)兩個(gè)滑動(dòng)變阻器分別控制勵(lì)磁線圈電流和線圈電流.兩個(gè)電流表分別讀出勵(lì)磁電流和線圈電流，如圖7.

圖7 電流表

3 實(shí)驗(yàn)儀的工作原理與實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)一：線圈的匝數(shù)不變，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值改變線圈電流的大小I，然后通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)讀出相應(yīng)安培力的大小F.實(shí)驗(yàn)可以得到當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直，磁場(chǎng)強(qiáng)弱、導(dǎo)線的長(zhǎng)度不變時(shí)，安培力的大小F與線圈電流的大小I成正比.

實(shí)驗(yàn)二：線圈的電流不變，通過(guò)改變線圈的接線口改變線圈的匝數(shù)，然后通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)讀出相應(yīng)安培力的大小F.實(shí)驗(yàn)可以得到當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直，磁場(chǎng)強(qiáng)弱、導(dǎo)線的電流不變時(shí)，安培力的大小F與導(dǎo)線的長(zhǎng)度L成正比.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(勵(lì)磁電流=1.70 A)如表1,2.

表1 n=50匝安培力F與線圈電流I的關(guān)系

表2 n=100匝安培力F與線圈電流I的關(guān)系

總結(jié)實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二，得到在同一磁場(chǎng)中，當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，導(dǎo)線受到安培力的大小F，與導(dǎo)線的長(zhǎng)度L成正比，與導(dǎo)線中的電流I成正比，即F=ILB，其中B是比例常數(shù).

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，勵(lì)磁電流=1.30 A，如表3,4和勵(lì)磁電流=1.00 A，如表5,6所示.

表3 n=50匝安培力F與線圈電流I的關(guān)系

表4 n=100匝安培力F與線圈電流I的關(guān)系

表5 n=50匝安培力F與線圈電流I的關(guān)系

表6 n=100匝安培力F與線圈電流I的關(guān)系

4 數(shù)據(jù)處理

探討安培力F與IL的關(guān)系，F(xiàn)取多次測(cè)量的平均值(線圈底邊長(zhǎng)是0.04 m,線圈50匝對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度是2 m，100匝對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度是4 m),實(shí)驗(yàn)記錄如表7～9.

表7 安培力F與IL的關(guān)系(勵(lì)磁電流1.70 A)

表8 安培力F與IL的關(guān)系(勵(lì)磁電流1.30 A )

表9 安培力F與IL的關(guān)系(勵(lì)磁電流1.00 A )

通過(guò)電腦描點(diǎn)畫(huà)圖得出了安培力F與IL的關(guān)系如圖8.從圖8中能清晰地看到在不同的勵(lì)磁電流(可以近似看成是不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度)下實(shí)驗(yàn)，二者都成正比例關(guān)系.

圖8

安培力定量分析實(shí)驗(yàn)儀的不足之處在于線圈的匝數(shù)學(xué)生不容易看清楚，與線圈引出的兩根細(xì)軟導(dǎo)線容易斷.但此實(shí)驗(yàn)的確讓學(xué)生看到安培力連續(xù)變化的現(xiàn)象，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程并通過(guò)分析數(shù)據(jù)得出了正確結(jié)論，培養(yǎng)了學(xué)生分析、歸納、總結(jié)的能力.該儀器體現(xiàn)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科特點(diǎn)，用實(shí)驗(yàn)定量地測(cè)量安培力，填補(bǔ)了教材編寫(xiě)和沒(méi)有配套儀器的空白，受到學(xué)生喜歡，提高了教學(xué)的有效性.