用DIS定量研究安培力的實(shí)驗(yàn)方案

王明輝

摘 ?要：DISlab（Digital Information System laboratory數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室）是一種將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組合起來，共同完成對(duì)物理量測(cè)量的裝置。利用DIS信息技術(shù)進(jìn)行探究安培力大小的實(shí)驗(yàn)，較好地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案中存在的問題。能夠全面、精確地探究安培力大小與各種因素之間的定量關(guān)系，加深學(xué)生對(duì)安培力大小計(jì)算公式的理解，并提高學(xué)生利用現(xiàn)代信息技術(shù)自主探究、進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的意識(shí)。

關(guān)鍵詞：DIS信息技術(shù);安培力;探究

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2019）5-0046-3

1 ? ?現(xiàn)有問題

探究安培力大小的影響因素是在學(xué)生學(xué)習(xí)磁場(chǎng)、磁感線概念之后，學(xué)習(xí)磁感應(yīng)強(qiáng)度之前的探究性實(shí)驗(yàn)。通過控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，尋找磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力大小與相關(guān)影響因素的定量關(guān)系。人教版教材[1]是通過通電導(dǎo)體棒在安培力作用下的偏移量來確定安培力大小的。教科版[2]用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量線圈所受安培力。兩種實(shí)驗(yàn)方案的問題在于對(duì)安培力大小的測(cè)量數(shù)據(jù)少。且均只能探究安培力與電流、導(dǎo)線處于磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度之間的關(guān)系，不能分析導(dǎo)線放置方向及磁場(chǎng)強(qiáng)弱對(duì)安培力的影響。

而利用朗威DISLab的微力傳感器、電流傳感器及安培力實(shí)驗(yàn)器（如圖1）則可以探究安培力與導(dǎo)線和磁場(chǎng)夾角、電流、有效長(zhǎng)度的關(guān)系，經(jīng)過器材改進(jìn)，也可以探究磁場(chǎng)強(qiáng)弱對(duì)安培力大小的影響，為磁感應(yīng)強(qiáng)度概念學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，甚至可以利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)中磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。

2 ? ?基于DIS信息技術(shù)的實(shí)驗(yàn)探究

2.1 ? ?實(shí)驗(yàn)器材

DIS數(shù)字信息實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，安培力實(shí)驗(yàn)器，微力傳感器，電流傳感器，大、小U型磁鐵各一對(duì)，學(xué)生電源，滑動(dòng)變阻器，導(dǎo)線若干。

2.2 ? ?實(shí)驗(yàn)原理

影響安培力的因素有導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向夾角、電流大小、導(dǎo)線有效長(zhǎng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)弱。實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，且后三個(gè)物理關(guān)系的探究是建立在導(dǎo)線垂直磁場(chǎng)放置的前提下，因此實(shí)驗(yàn)應(yīng)先探究與夾角的關(guān)系。

學(xué)生電源電壓14 V，滑動(dòng)變阻器。由于實(shí)驗(yàn)中要使電流從零開始調(diào)節(jié)，因此選用滑動(dòng)變阻器分壓接法。起始時(shí)使傳感器調(diào)零，滑片置于最左端。（如圖2）

2.3 ? ?實(shí)驗(yàn)過程

2.3.1 ? ?探究F與導(dǎo)線和磁場(chǎng)方向夾角的關(guān)系

（1）定性分析：線圈選取100匝。滑動(dòng)變阻器滑片置于最左端，閉合開關(guān)。移動(dòng)滑片適當(dāng)增大通過線圈的電流。緩慢旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，可以看到線圈所受磁場(chǎng)力隨之發(fā)生變化，導(dǎo)線垂直磁場(chǎng)時(shí)力最大，平行磁場(chǎng)時(shí)安培力為零。

（2）數(shù)據(jù)采集：點(diǎn)擊組合圖線，添加圖線，X軸為時(shí)間t，Y軸為力F。選取采樣頻率為500 Hz。點(diǎn)擊“開始”，同時(shí)使線圈從平行磁場(chǎng)位置開始旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)10～15個(gè)周期后點(diǎn)擊停止。

（3）數(shù)據(jù)處理：由于初始階段磁體旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)，因此選取旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后的圖像，點(diǎn)擊圖像分析“擬合”，進(jìn)行正弦擬合。如圖3所示。

（4）結(jié)論：磁鐵勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)線所受安培力隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化。說明當(dāng)其他條件不變，只改變導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的放置方向時(shí)，通電導(dǎo)線所受磁場(chǎng)力F與導(dǎo)線和磁場(chǎng)夾角滿足正弦關(guān)系。

2.3.2 ? ?探究F與I的關(guān)系

（1）固定變量：線圈選取100匝，閉合開關(guān)后，移動(dòng)滑片適當(dāng)增大通過線圈的電流為任一數(shù)值。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使線圈所受磁場(chǎng)力最大，旋緊磁體轉(zhuǎn)盤控制片，固定磁場(chǎng)方向。

（2）采集數(shù)據(jù)：點(diǎn)擊添加數(shù)據(jù)表格，選取采樣時(shí)間為2 s，點(diǎn)擊“開始”，同時(shí)滑片從最左端開始緩慢向右移動(dòng)，使通過線圈的電流基本均勻增加，滑片移動(dòng)全程采樣20組數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)處理：將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel表格中，選取F、I數(shù)據(jù)，添加散點(diǎn)圖;選取數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)擊右鍵“添加趨勢(shì)線”，選取線性并顯示公式。如圖4所示。

（4）結(jié)論：當(dāng)保持導(dǎo)線垂直磁場(chǎng)放置，且導(dǎo)線在磁場(chǎng)中長(zhǎng)度不變時(shí)，所受安培力與導(dǎo)線中電流大小成正比。

2.3.3 ? ?探究F與L的關(guān)系

（1）線圈選取200匝。重復(fù)2.3.2的步驟。

（2）將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)復(fù)制到步驟2.3.2數(shù)據(jù)的同一個(gè)Excel中。選取100匝數(shù)據(jù)圖像，點(diǎn)擊右鍵“選擇數(shù)據(jù)”，點(diǎn)擊“添加”。選擇200匝電流數(shù)據(jù)作為X軸，F(xiàn)數(shù)據(jù)作為Y軸，點(diǎn)擊確定。選擇200匝數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)擊右鍵“添加趨勢(shì)線”，選擇“線性”“顯示公式”。如圖5所示。

（3）結(jié)論：導(dǎo)線垂直磁場(chǎng)放置時(shí)，所受磁場(chǎng)力大小與導(dǎo)線所通電流大小I和處于磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度L之積成正比。

2.3.4 ? ?探究F與磁場(chǎng)強(qiáng)弱的關(guān)系

（1）線圈選取200匝。將安培力實(shí)驗(yàn)器中的磁鐵分別更換為兩個(gè)對(duì)接的大U型磁鐵（如圖6所示）、一個(gè)大U型磁鐵、兩個(gè)對(duì)接的小U型磁鐵、一個(gè)小U型磁鐵。分別重復(fù)步驟2.3.3中的操作。得到圖像如圖7所示。

（2）結(jié)論：導(dǎo)線垂直磁場(chǎng)放置且處于磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度不變時(shí)，通電導(dǎo)線所受磁場(chǎng)力F與導(dǎo)線中電流I的比值與磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)。

3 ? ?實(shí)驗(yàn)反思

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案充分利用DIS信息技術(shù)，與教材中所例舉的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)比較，存在如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）實(shí)驗(yàn)可測(cè)數(shù)據(jù)多，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信度大，數(shù)據(jù)精確。其中，探究F與L的關(guān)系中，雖然只有100匝、200匝兩組長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，但是與電流變化相結(jié)合共同采集數(shù)據(jù)，更有利于學(xué)生得出導(dǎo)線垂直磁場(chǎng)放置時(shí)，所受安培力F與電流I和導(dǎo)線長(zhǎng)度L的乘積IL成正比的結(jié)論。

（2）實(shí)驗(yàn)可充分探究安培力與各因素之間的關(guān)系。有利于學(xué)生充分了解安培力與各因素之間的定量關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中更換安培力實(shí)驗(yàn)器的磁鐵，來實(shí)現(xiàn)改變磁場(chǎng)強(qiáng)弱，是本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)改進(jìn)創(chuàng)新點(diǎn)，可以更直觀地看到磁場(chǎng)強(qiáng)弱對(duì)安培力大小的影響。但需要注意的是實(shí)驗(yàn)中磁場(chǎng)強(qiáng)弱不能單純以磁鐵大小來區(qū)分。

（3）實(shí)驗(yàn)提供一種測(cè)量勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方法?？梢岳脤?shí)驗(yàn)步驟3、4中的圖像斜率結(jié)合導(dǎo)線有效長(zhǎng)度，利用F=nBIL計(jì)算出線圈底邊所處的勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度。

（4）實(shí)驗(yàn)充分體現(xiàn)了物理教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)的整合，采用DIS傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生更快速、直觀地得出相關(guān)結(jié)論。有利于學(xué)生了解、應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)來解決問題，提高學(xué)生的探究能力和解決實(shí)際問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-1[M].北京：人民教育出版社，2015：83-84.

[2]教育科學(xué)出版社.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-1[M].北京：教育科學(xué)出版社，2014：85-86.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）