●备课资料安培力定量演示器设计与实验研究1.问题的提出磁场对电流的作用力——安培力F=IlBsinθ是高中物理的重点教材，高二、高三课本都有涉及.课本主要以定性演示和理论推导来揭示这个规律.教材无法定量演示:①“当导线方向与该处磁场方向平行时,通电导线所受的力最小,等于零;当导线方向与该处磁场方向垂直时,通电导线所受的力最大.”②当“…成任一角度,磁场对电流有作用力…但比相互垂直的情形要小.”③“安培力F的大小与Il的乘积成正比.”④“安培力F的大小与sinθ成正比”等等，使得教材在很多关键问题上常常用“我们知道”或“通过实验会发现”或“实验表明”一带而过，缺乏说服力.为此,我们设计、制作了“安培力定量演示器”，并通过定量实验及其分析来揭示安培力的规律，展示物理学科特点和研究方法，解决教材编写、实验配套之不足.2.实验设计2.1设计目的和思路“安培力定量演示器”突出定量实验为主，辅之以理论分析，着重解决以下几个问题：（1）当导线方向跟磁场方向垂直时，安培力最大；当导线方向跟磁场方向平行时，安培力最小.(2)当导线方向跟磁场方向垂直时,在磁感应强度B、导线电流I、导线长度l这3个量中保持两个量不变的情况下,安培力F与第3个量成正比.(3)当导线方向跟磁场方向成一角度θ时,磁场B在垂直于导线方向的分量B⊥=Bsinθ有“贡献”（F⊥=B⊥Il),在平行于导线方向的分量B∥无“贡献”（F∥=0），从而得出F=BIlsinθ,即安培力介于最大值与零之间.(4)在磁场B、电流I、导线长度l大小不变的情况下,安培力F与sinθ成正比.2.2仪器选择及自制器材选择仪器及自制器材以取材容易、结构简单、制作方便、演示效果良好为原则,以国家教育部关于“中小学理科和电教器材配备目录”中指定的仪器为主,辅之以适当的自制仪器相结合.(1)J0110单盘天平(200型)该天平为数字显示电子天平,有自动归零、自动校准、自动去皮、量制转化等功能.最大量程为200g，最小分度值为0.1g,最大引用误差Δ=0.1g.为把读数误差控制在η=5%以下,必须使安培力的测量值在Δ/η=0.1/5%=2.0g以上.(2)J2431电磁感应演示器(磁极)该磁极磁感应强度B≥7MT,匀强磁场面积为216mm×180mm,磁极宽度107mm,磁极不均匀度≤4%,磁极体电源为串接DC24V,2.5A.(3)自制受力线圈该线圈宽度必须小于磁极的宽度107mm,以便做“平行”时F=0；线圈和支架的总重量小于天平的最大量限200g.因此用10mm×10mm的铝合金U形槽按图1尺寸切开(不能切断),折成85mm×180mm的矩形线框;用69mm×18mm的铝合金U形槽切65mm做支架;把线框有切口的A、B端用铆钉与支架结合,如图2;用直径0.32mm的漆包线双线并绕200匝+200匝(可改变l、2l).整体质量192g,直流电阻27Ω+27Ω.图1图2最后把线圈固定在天平的称盘上,在称盘上做通过线圈平面和垂直线圈平面的四个角度标记.如图5.(4)自制角度定位器用方格坐标纸按图3尺寸制成角度定位器,并用双面胶粘贴在单盘天平上,如图5.这样线圈平面与磁场方向的夹角可由角度定位器读出.图3图4图5(5)自制磁极固定架用25mm×25mm的不锈钢方管按图4尺寸焊接成磁极固定架.(6)J0416—D大屏幕多用测试仪该仪器采用大型高亮数码管显示,可视距离在20m以上.(7)J1209型高中教学电源该电源最大优点是直流稳压输出和细调,能方便准确调节所需电流值.受力线圈电流值取0~0.7A,需用2台J1209串联供电.励磁电流0~2.5A,用1台J1209供电.3.定量实验按图5装配实验装置.［演示1］当载流导线与磁场方向平行时,安培力为零.①取线圈N=400匝,励磁电流IB=2.0A,线圈电流IL=0.4A.②转动线圈使单盘天平的称盘标记指向0°,此时天平示数F=0.③在0~2.5A之间改变励磁电流和在0~0.7A之间改变线圈电流IL,都有F=0.［演示2］当载流导线与磁场方向垂直时,安培力最大.①取线圈N=400匝,励磁电流IB=2.0A,线圈电流IL=0.4A.②转动线圈使θ增大,则安培力F随之增大,当θ=90°时,F有最大值.［演示3］垂直磁场方向的通电导线,受到的安培力F与电流IL成正比,已知N=400匝,l=400×85mm,IB=2.5A,θ=90°,测量结果如表1所示.表1IL/AF/×0.0098NΔIL/AΔF/×0.0098N0.206.90.100.3010.30.103.40.4013.60.103.30.5017.10.103.50.6020.50.103.40.7024.20.103.3根据最小二乘法理论得:...
