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1 改进的动机
人教版教材高中物理选修3-1第三章第二节磁感应强度中有一实验“探究影响通电导线受力的因素”，装置如图1所示.该实验方案的不足之处有：①导线受到的磁场力小，现象不明显，学生不易观察.用3个蹄形磁铁并列得到的匀强磁场的磁场弱、[TP11GW861.TIF，Y#]区域小；处于磁场中的导线长度过短（因匀强磁场区域小）；导体棒通电后偏角太小，且不稳定，不便于比较安培力的大小；这些因素均会导致通电导线受到的磁场力小，现象不明显，难以观测；②实验是定性的结论，没有定量的测量值.该实验的原理是当电流通过时导线将摆动一个角度，通过摆动角度大小比较导线受力的大小.但摆起角度难以精确测量，无法完成定量的研究；③不能完成完整的探究过程，弱化了概念的建立过程.用几个蹄形磁铁并列得到的磁场，强弱不能变化，无法完成研究磁场这一因素对磁场力的影响.
[TP11GW86.TIF，Y#]
为了将该实验改成定量测量，普遍对实验装置作这样的改进，如图2所示；通过对通电导体棒受力后偏移距离的大小来表示安培力F 的大小，从而对磁感应强度进行定量的研究.
当导线静止时，受力平衡，根据力的合成和分解知识可知：F=mgtanθ，且当θ较小时，tanθ≈θ.
因为θ≈d/R，所以F≈mgd/R.
mg、R 是定值，所以F∝d.
这样只要用刻度尺测量通电导体棒受力后偏移距离d的大小，便可以认为是通电导体所受安培力F 的大小，但是这样测量误差很大，且测量时线框很不稳定，等待其稳定后才能读数，故而在测量和处理数据时都非常耗时，效果不太好，针对以上不足之处，本文对实验做如下改进.
2 改进后的实验原理及装置
2.1 实验原理
如图3所示，铁架台固定力传感器，力传感器通过四根细绳悬挂线圈，线圈下半部分垂直放置在改进后的匀强磁场中，在图1的电路中串联接入电流传感器，矩形线框平衡在竖直位置不动时，通电时，线框在磁场部分的通电导线水平方向受力平衡，竖直方向上将受到磁场力的作用.由牛顿第三定律可知磁场力等于通电前后悬线的拉力变化，大小由力传感器测出.单独改变线圈中的电流、线圈匝数（导线长度）、磁场强弱，由力传感器测出磁场力的相应变化，可得出电流、导线长度、磁场强弱对磁场力的关系.
2.2 实验装置制作 [HJ1mm]
①磁场的改进.在靠近且封闭的两个正对铁片的外侧吸附数排等距且平行放置的圆柱状铷铁硼的强磁铁，如图4所示（图4中铁片两侧各有四组，每组2只共16只磁铁），这样在两铁片间形成了一个较强的匀强磁场，实验中可以用1只、2只、3只、4只磁铁为一组，改变吸附于铁片外侧磁体的数量就能改变磁场的强弱；②导线的改进.用线圈代替直导线（图中的线圈为变压器中拆下的，线圈也可根据需要自行绕制），线圈的下半部分处于匀强磁场（两铁片间），上半部分处于两铁片外，磁场中导线长度相当于线圈的匝数与线框边长的乘积，线圈接入的匝数越多，处于磁场中的导线越长，如图4所示，[TP11GW88.TIF，Y#]当线圈中标有0和800的两接线柱接入电路时导线长度为线圈中标有0和200匝两接线柱接入电路的导线长度的四倍；③测量的改进.用电流传感器测电流大小，用力传感器测量拉力F的大小（等于磁场力的大小），测量简单读数准确.
2.3 实验过程
①器材安装.铁架台将力传感器和矩形线框悬吊起来，按照实验电路图连接好电路，开关断开，保证滑动变阻器处于阻值最大状态.②保持导线的长度不变（即接入电路的匝数不变）和磁场不变（吸附于铁片外侧磁体的数量不变），并保证通电导线与磁场方向垂直.闭合开关，通过改变滑动变阻器的阻值，来改变电流的大小（尽量保证电流成倍变化），记录每次电流值和相应的磁场力值.③保持电流I不变和磁场不变，改变导线的长度（即改变接入电路的线圈匝数），记录相应的磁场力值.④保持电流I和导线的长度L不变，改变磁场（即改变吸附于铁片外侧磁体的数量），记录相应的磁场力值.⑤对每步探究中所得数据进行处理，探究各因素和磁场力的关系.
3 改进后的实验案例
3.1 探究步骤
①保持导线的长度不变（接入电路的线圈为200匝）和吸附于铁片外侧磁体的数量不变（每组磁体2只），改变滑动变阻器，将每次电流值I和相应的磁场力值F，记录在表1中，
3.2 数据处理
4 改进后实验的优缺点
（1）本实验在靠近且封闭的两个正对铁片的外侧吸附数排等距且对称放置的圆柱状强磁铁获得匀强磁场，通过改变磁体数量改变磁场的强弱，完善了探究过程.
（2）本实验装置用多匝导线来等效替代一根通电直导线，既增强了安培力大小又使得导线长度改变更加简便.
（3）使用了力传感器和电流传感器，可以使实验结果更加准确，实现了对磁感应强度的定性到定量的突破.
（4）利用EXCEL来处理实验数据和绘制F-I、F-L的图象，即节约了实验操作的时间，又减少了实验的偶然误差，直观高效.
（5）实验中仍有不足，当电流过大时，线框容易被吸到磁铁上，故一定要使线框处于磁场的中间位置，使两边受力相等.
人教版教材高中物理选修3-1第三章第二节磁感应强度中有一实验“探究影响通电导线受力的因素”，装置如图1所示.该实验方案的不足之处有：①导线受到的磁场力小，现象不明显，学生不易观察.用3个蹄形磁铁并列得到的匀强磁场的磁场弱、[TP11GW861.TIF，Y#]区域小；处于磁场中的导线长度过短（因匀强磁场区域小）；导体棒通电后偏角太小，且不稳定，不便于比较安培力的大小；这些因素均会导致通电导线受到的磁场力小，现象不明显，难以观测；②实验是定性的结论，没有定量的测量值.该实验的原理是当电流通过时导线将摆动一个角度，通过摆动角度大小比较导线受力的大小.但摆起角度难以精确测量，无法完成定量的研究；③不能完成完整的探究过程，弱化了概念的建立过程.用几个蹄形磁铁并列得到的磁场，强弱不能变化，无法完成研究磁场这一因素对磁场力的影响.
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为了将该实验改成定量测量，普遍对实验装置作这样的改进，如图2所示；通过对通电导体棒受力后偏移距离的大小来表示安培力F 的大小，从而对磁感应强度进行定量的研究.
当导线静止时，受力平衡，根据力的合成和分解知识可知：F=mgtanθ，且当θ较小时，tanθ≈θ.
因为θ≈d/R，所以F≈mgd/R.
mg、R 是定值，所以F∝d.
这样只要用刻度尺测量通电导体棒受力后偏移距离d的大小，便可以认为是通电导体所受安培力F 的大小，但是这样测量误差很大，且测量时线框很不稳定，等待其稳定后才能读数，故而在测量和处理数据时都非常耗时，效果不太好，针对以上不足之处，本文对实验做如下改进.
2 改进后的实验原理及装置
2.1 实验原理
如图3所示，铁架台固定力传感器，力传感器通过四根细绳悬挂线圈，线圈下半部分垂直放置在改进后的匀强磁场中，在图1的电路中串联接入电流传感器，矩形线框平衡在竖直位置不动时，通电时，线框在磁场部分的通电导线水平方向受力平衡，竖直方向上将受到磁场力的作用.由牛顿第三定律可知磁场力等于通电前后悬线的拉力变化，大小由力传感器测出.单独改变线圈中的电流、线圈匝数（导线长度）、磁场强弱，由力传感器测出磁场力的相应变化，可得出电流、导线长度、磁场强弱对磁场力的关系.
2.2 实验装置制作 [HJ1mm]
①磁场的改进.在靠近且封闭的两个正对铁片的外侧吸附数排等距且平行放置的圆柱状铷铁硼的强磁铁，如图4所示（图4中铁片两侧各有四组，每组2只共16只磁铁），这样在两铁片间形成了一个较强的匀强磁场，实验中可以用1只、2只、3只、4只磁铁为一组，改变吸附于铁片外侧磁体的数量就能改变磁场的强弱；②导线的改进.用线圈代替直导线（图中的线圈为变压器中拆下的，线圈也可根据需要自行绕制），线圈的下半部分处于匀强磁场（两铁片间），上半部分处于两铁片外，磁场中导线长度相当于线圈的匝数与线框边长的乘积，线圈接入的匝数越多，处于磁场中的导线越长，如图4所示，[TP11GW88.TIF，Y#]当线圈中标有0和800的两接线柱接入电路时导线长度为线圈中标有0和200匝两接线柱接入电路的导线长度的四倍；③测量的改进.用电流传感器测电流大小，用力传感器测量拉力F的大小（等于磁场力的大小），测量简单读数准确.
2.3 实验过程
①器材安装.铁架台将力传感器和矩形线框悬吊起来，按照实验电路图连接好电路，开关断开，保证滑动变阻器处于阻值最大状态.②保持导线的长度不变（即接入电路的匝数不变）和磁场不变（吸附于铁片外侧磁体的数量不变），并保证通电导线与磁场方向垂直.闭合开关，通过改变滑动变阻器的阻值，来改变电流的大小（尽量保证电流成倍变化），记录每次电流值和相应的磁场力值.③保持电流I不变和磁场不变，改变导线的长度（即改变接入电路的线圈匝数），记录相应的磁场力值.④保持电流I和导线的长度L不变，改变磁场（即改变吸附于铁片外侧磁体的数量），记录相应的磁场力值.⑤对每步探究中所得数据进行处理，探究各因素和磁场力的关系.
3 改进后的实验案例
3.1 探究步骤
①保持导线的长度不变（接入电路的线圈为200匝）和吸附于铁片外侧磁体的数量不变（每组磁体2只），改变滑动变阻器，将每次电流值I和相应的磁场力值F，记录在表1中，
3.2 数据处理
4 改进后实验的优缺点
（1）本实验在靠近且封闭的两个正对铁片的外侧吸附数排等距且对称放置的圆柱状强磁铁获得匀强磁场，通过改变磁体数量改变磁场的强弱，完善了探究过程.
（2）本实验装置用多匝导线来等效替代一根通电直导线，既增强了安培力大小又使得导线长度改变更加简便.
（3）使用了力传感器和电流传感器，可以使实验结果更加准确，实现了对磁感应强度的定性到定量的突破.
（4）利用EXCEL来处理实验数据和绘制F-I、F-L的图象，即节约了实验操作的时间，又减少了实验的偶然误差，直观高效.
（5）实验中仍有不足，当电流过大时，线框容易被吸到磁铁上，故一定要使线框处于磁场的中间位置，使两边受力相等.