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磁场强度和安培力是物理教學中的一个难点。F=BIL这个公式说明了安培力的大小与磁场强度、电流大小以及导线长度有关。左手定则反映了电流、磁场以及安培力三者的方向。然而,由于磁场看不见、摸不着,对學生而言非常抽象;而且由于安培力实在太小,一般學校物理实验室内的设备根本无法去测定安培力,给安培力蒙上了一层神秘的面纱。因此,如何方便地测定安培力,并演示出安培力、磁场强度、电流大小以及导线长度四者之间的关系显得极为重要。
本人经过一段时间的研究、实验发现,其实在一般中學实验室、特别是高中实验室中,完全具有测量、演示安培力的实验条件,只是有些设备并不在物理实验室中,导致一些物理老师以及实验员无法完成本实验。
完成本实验的关键在于使用化學实验室常用的电子分析天平,并对电子天平进行适当的改进。我们知道,电子天平测量的是质量,我们这个实验中需要测量的是力,而目前市场上还没有可以直接测量力的数字化仪器。我所改进的电子天平就可以方便地解决这个问题,使电子天平的显示屏上可以直接显示出导线所受的力。由于电子分析天平测量精度高,一般其精度可达1‰克或者更高。经过改进的电子天平同样也具有以上的优点。
本实验装置共分为五部分,分别是电子分析天平、实验支架、切换开关、导线框、恒流恒压电源。
实验装置的安装
首先将电子分析天平置于支架上放中央,而后将导线框悬挂在电子分析天平底部;断开电键,连接恒流恒压电源与装置的输入接线柱。
实验装置的使用
打开电子分析天平的电源,并预热1分钟以提高测量精度;
打开恒流恒压电源开关,用一根短导线将输出端短接,调节电流粗调和微调旋钮,选择合适的电流。然后移去短路线;
在支架底部放置磁铁使之形成磁场;
通过电键选择合适的导线长度;
读取此时电子分析天平上的数值(单位为×10-3牛顿)。即此时导线所受的安培力的大小。若数值为正,表示安培力的方向向下,数值为负,表示安培力的方向向上。
重复上述步骤,其中,在步骤2、3、4中可分别改变电流、磁场及导线长度,使用控制变量法观察数据的变化情况。
观察可发现,所有的实验数据都符合公式F=BIL,并且,在不改变磁场的情况下,无论电流及导线长度如何改变,导线所受安培力与电流和导向长度的乘积的比值为恒量,即B=F/IL,说明了在磁场中的某一确定点的磁场强度为恒量。
本实验装置使得安培力的测定变得极为简单,安培力、磁场强度、电流大小以及导线长度四者之间的关系的演示也更为直观、清晰。通过本装置可以将常规的定性实验转变为定量实验。
实验装置的改进
本实验装置虽然使用简单,效果明显,但仍然存在体积过大,组装不够简便的缺点。现在正对其进行进一步的改造,使其体积能进一步缩小,电子天平、恒流电源、测试架等所有的装置可以一体化、小型化、轻量化,进一步提高使用的简便性。
本人经过一段时间的研究、实验发现,其实在一般中學实验室、特别是高中实验室中,完全具有测量、演示安培力的实验条件,只是有些设备并不在物理实验室中,导致一些物理老师以及实验员无法完成本实验。
完成本实验的关键在于使用化學实验室常用的电子分析天平,并对电子天平进行适当的改进。我们知道,电子天平测量的是质量,我们这个实验中需要测量的是力,而目前市场上还没有可以直接测量力的数字化仪器。我所改进的电子天平就可以方便地解决这个问题,使电子天平的显示屏上可以直接显示出导线所受的力。由于电子分析天平测量精度高,一般其精度可达1‰克或者更高。经过改进的电子天平同样也具有以上的优点。
本实验装置共分为五部分,分别是电子分析天平、实验支架、切换开关、导线框、恒流恒压电源。
实验装置的安装
首先将电子分析天平置于支架上放中央,而后将导线框悬挂在电子分析天平底部;断开电键,连接恒流恒压电源与装置的输入接线柱。
实验装置的使用
打开电子分析天平的电源,并预热1分钟以提高测量精度;
打开恒流恒压电源开关,用一根短导线将输出端短接,调节电流粗调和微调旋钮,选择合适的电流。然后移去短路线;
在支架底部放置磁铁使之形成磁场;
通过电键选择合适的导线长度;
读取此时电子分析天平上的数值(单位为×10-3牛顿)。即此时导线所受的安培力的大小。若数值为正,表示安培力的方向向下,数值为负,表示安培力的方向向上。
重复上述步骤,其中,在步骤2、3、4中可分别改变电流、磁场及导线长度,使用控制变量法观察数据的变化情况。
观察可发现,所有的实验数据都符合公式F=BIL,并且,在不改变磁场的情况下,无论电流及导线长度如何改变,导线所受安培力与电流和导向长度的乘积的比值为恒量,即B=F/IL,说明了在磁场中的某一确定点的磁场强度为恒量。
本实验装置使得安培力的测定变得极为简单,安培力、磁场强度、电流大小以及导线长度四者之间的关系的演示也更为直观、清晰。通过本装置可以将常规的定性实验转变为定量实验。
实验装置的改进
本实验装置虽然使用简单,效果明显,但仍然存在体积过大,组装不够简便的缺点。现在正对其进行进一步的改造,使其体积能进一步缩小,电子天平、恒流电源、测试架等所有的装置可以一体化、小型化、轻量化,进一步提高使用的简便性。