巧用天平探究“安培力的决定因素”

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高中物理第二册(必加选)磁场一章,教材中设置的演示安培力大小的决定因素的实验,结构简单,效果明显.通过实验能观察到导线越长、电流越大、磁场越强,安培力越大,但实验不能提示安培力与导线长度、电流强度、磁感应强度成正比,而且实验对化解磁感应强度的概念这个教学难点“力不从心”.即不能说明安培力与电流和长度的乘积的比值是一常数.为此,笔者设计了一个借助天平定量探究安培力决定因素的实验,变演示实验为学生探究实验,对学生正确理解磁感应强度的概念有较大的帮助.

一、实验器材

物理天平一架(砝码)、相同的较大的蹄形磁铁五块、相同的较小的蹄形磁铁七块、300-400匝边长为8-10cm的正方形线圈一个(漆包线直径0.65mm,内阻约30Ω)、0-0.6A电流表一只、0-50Ω滑动变阻器一只、干电池六节、导线、开关、细线若干、固定蹄形磁铁的木架一个.

二、操作步骤

1.实验装置如图1所示.实验中使用的线圈实验室一般配有,若没有,自己可以制作.在一块木板上用一直尺作一边长为8-10cm的正方形,然后在正方形的四个顶点垂直钉上四枚钉子,再把漆包线绕着钉子绷紧缠绕上去,记下匝数,引出线头,去掉钉子,用胶带把线圈包紧备用.实验时,可根据不同需要把线圈底边拆成不同的长度.

图1

2.用木块或小凳子把天平两端支起,天平底座下方留开空间备用.仔细调节底座螺钉,使支柱上的铅垂线与尖端对齐,将游码移到左端零线上,支起横梁,调节平衡螺母,使天平横梁水平.

3.取下左盘,用一细绳穿过左盘下的金属盘架,细绳的两端拴紧在线圈的一条边的两端,使线圈底边水平,然后放上左盘.

4.把七块相同的较小蹄形磁铁靠紧固定在支架上,调节支架的方向及高度,使天平平衡时线圈的下边正好浸没在匀强磁场区,并且在磁铁N、S极的中央与磁场垂直.

5.把电池组、滑动变阻器、电流表、电键、线圈串联起来,且开始时滑动变阻器置于最大位置处.

6.在右盘中逐渐加上砝码,直到天平横梁平衡,记下右盘中砝码的克数m0.闭合电键,若左盘向下倾斜,说明安培力向下即可实验,若左盘向上倾斜,说明安培力向上,实验时需先调换电源极性再进行.仔细调节滑动变阻器,使电流表指针指在某个位置,记下电流表的读数I1,同时在右盘中加入砝码,直到天平平衡,记下加入砝码的克数m1.同上步骤,调节滑动变阻器,分别再记下当电流为I2、I3时,盘中所加砝码的克数m2、m3,断开电键.

7.松开支架,取下七块较小的,换上五块较大的蹄形磁铁固定在支架上,调节方向及高度,要求同前.然后闭合电键,调节滑动变阻器,使电流表的读数分别指在原来的I1、I2、I3时,记下加入砝码的克数m′1、m′2、m′3,断开电键(以上加入砝码的克数均指除m0使天平平衡时再加入的克数).

8.取出线圈,改变线圈的形状,把线圈底边拆成较小的长度L2,放回线圈,重新调整磁铁的高度,使线圈底边仍在磁铁间原来的位置,闭合电键,调节滑动变阻器,使电流表指针指在I1处,同时在右盘中加入砝码,直到天平平衡,记下加入砝码的克数m″2,断开电源,取出后加入的砝码,再取出线圈,把线圈底边拆成更小的长度L3,重复上述过程,使电流表仍指在I1处,记下加入砝码的克数m″3,断开电键.

三、数据处理

以下是某次实验小组记录的数据,分析如下.(其中m0=71.00g、匝数m=345)

表一

(较小磁铁组,线圈底边长L1=9.00cm)

电流I(A)

I1=0.240

I2=0.160

I3=0.080

质量m(g)

m1=13.90

m2=9.30

m3=4.64

表二

(较大磁铁组,线圈底边长L1=9.00cm)

电流I(A)

I1=0.240

I2=0.160

I3=0.080

质量m(g)

m′1=20.61

m′2=13.74

m′3=6.86

表三

(较大磁铁组,通电电流I1=0.240A)

长度L(cm)

L1=9.00

L2=6.00

L3=3.00

质量m(g)

m″1=20.62

m″2=13.90

m″3=7.00

分析1:从表一、表二、表三可以得出:安培力与电流I、长度L均成正比;对比表一、表二可以得出:磁场越强,安培力越大.

2.由B=FnIL列表计算如下(取g=9.8)

B=FnIL(T)

表一中B1

0.01828

0.01834

0.01814

表二中B2

0.02709

0.02702

0.02682

表三中B2

0.02709

0.02742

0.02761

从表四可以看出:在同一磁场中,不管电流I、导线长度L怎样改变,比值B总是确定的.但在不同的磁场中,比值B是不同的.

设计的本实验,取材容易,结构简单,实验效果十分明显,实现了从定性到定量的提升,为完成教学任务提供了有力的支持,而且对发展学生的探究能力有一定的帮助.