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視頻課題：第五屆全國高中物理教師微課講課視頻《安培力大小的定量研究實(shí)驗(yàn)》天津

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第五屆全國高中物理教師微課講課視頻《安培力大小的定量研究實(shí)驗(yàn)》天津外國語大學(xué)附屬外國語學(xué)校高中物理

安培力大小的定量研究實(shí)驗(yàn)
天津外國語大學(xué)附屬外國語學(xué)校   李靜
一、使用教材
人教版高中《物理》選修3-1第三章磁場第4節(jié)。
二、實(shí)驗(yàn)器材
如圖1（a）所示，自制安培力大小定量研究裝置由磁鐵、磁鐵支架、導(dǎo)軌、電子秤、角度盤、3個(gè)150匝8*18cm線圈（每個(gè)線圈在磁場中有效長度為12m）、線圈支架、線圈電流控制電路構(gòu)成。其中線圈電流控制電路由電池、可變電阻、數(shù)顯電流表、開關(guān)、導(dǎo)線組成，放置于白色容器內(nèi)。其電路的內(nèi)部構(gòu)造和電路圖如圖1（b, c）所示，通過開關(guān)1和開關(guān)2的閉合，可控制接入電路的線圈個(gè)數(shù)。

圖1 (a)自制安培力大小的定量研究裝置 (b)線圈電流控制電路構(gòu)造 (c)電路圖
三、           實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要點(diǎn)/改進(jìn)要點(diǎn)
人教版教材中對于安培力大小的研究只給出了一個(gè)定性實(shí)驗(yàn)，而在這個(gè)定性實(shí)驗(yàn)之后直接給出了定量的結(jié)論，即通電導(dǎo)線與磁場方向垂直時(shí)F=BIL。定量實(shí)驗(yàn)與定性結(jié)論之間的認(rèn)知差距，為同學(xué)們留下了進(jìn)一步思考和探究的空間。另外對于導(dǎo)線與磁場方向不垂直的情況，教材并未進(jìn)行深入討論。基于上述原因，筆者對傳統(tǒng)安培力大小探究實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了優(yōu)化和完善，制作了安培力大小定量研究裝置，其主要?jiǎng)?chuàng)新和改進(jìn)要點(diǎn)如下：
（1）優(yōu)化并整合外部線圈電流控制電路，避免了外部懸放導(dǎo)線對實(shí)驗(yàn)測量的影響
在傳統(tǒng)安培力研究實(shí)驗(yàn)中，線圈電流通過外部電路進(jìn)行控制，其需用導(dǎo)線進(jìn)行連接，而處于懸空狀態(tài)下的導(dǎo)線易對電子秤的示數(shù)造成影響，降低了測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。例如，在無外加磁場情況下轉(zhuǎn)動(dòng)線圈，電子秤的示數(shù)會(huì)出現(xiàn)明顯變化，導(dǎo)致每次實(shí)驗(yàn)前都需要對儀器讀數(shù)進(jìn)行歸零，增加實(shí)驗(yàn)操作的難度。另外在調(diào)節(jié)外部電路過程中，不小心晃動(dòng)電路導(dǎo)線，也會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的測量結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)將外部控制電路與線圈整合為一體，并將其放置于電子秤之上，有效避免了調(diào)節(jié)外部電路、轉(zhuǎn)動(dòng)線圈等實(shí)驗(yàn)操作對安培力測量的影響。
（2）采取多匝漆包線和電子秤的組合，實(shí)現(xiàn)微小力的放大與測量
通常，高中物理實(shí)驗(yàn)室中蹄形磁鐵或條形磁鐵周圍磁場強(qiáng)度在0.01~0.5T之間，通電導(dǎo)線長度一般為10~20cm左右，考慮到導(dǎo)線所能承受的電流不宜過高，通電導(dǎo)線在磁場中受到的安培力大約在10^-3~10^-2N量級，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)使用的彈簧測力計(jì)或傳感器難以準(zhǔn)確測量其大小。本實(shí)驗(yàn)中利用直徑0.4mm的漆包線自制了3個(gè)150匝8*18cm的線圈替代單根導(dǎo)線，增大通電導(dǎo)線在磁場中的長度，從而增大安培力。同時(shí)，采用精度為0.01g的電子秤代替彈簧秤，通過換算可知，其力的測量精度可達(dá)10^-4N，可實(shí)現(xiàn)對安培力的高精度測量。
（3）將定性分析實(shí)驗(yàn)改為定量研究實(shí)驗(yàn)，全面簡便地實(shí)現(xiàn)了對所有變量的定量研究
影響安培力大小的因素較多，包括磁感應(yīng)強(qiáng)度B，電流I，導(dǎo)線長度L以及電流與磁場夾角θ。在傳統(tǒng)安培力研究實(shí)驗(yàn)中，少有實(shí)驗(yàn)裝置能簡便實(shí)現(xiàn)所有變量的定量研究。本實(shí)驗(yàn)中，通過頂端的導(dǎo)軌，可改變兩磁極之間磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，其數(shù)值可利用傳感器進(jìn)行標(biāo)定；調(diào)節(jié)可變電阻，可改變通過線圈的電流I，其數(shù)值可由電流表讀出；轉(zhuǎn)動(dòng)電子秤上的轉(zhuǎn)盤，可實(shí)現(xiàn)電流與磁場夾角θ的調(diào)節(jié)，其角度值可通過角度盤讀出；通過兩個(gè)控制開關(guān)的通斷，可調(diào)節(jié)三個(gè)并聯(lián)線圈的接入個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線長度L的調(diào)節(jié)。因此該實(shí)驗(yàn)裝置能簡單方便地實(shí)現(xiàn)對所有變量的定量研究。
（4）實(shí)驗(yàn)裝置一體化，便于攜帶，隨取隨用
制作實(shí)驗(yàn)裝置所使用的均為學(xué)生熟悉的常見器材，且該裝置操作簡單，利于學(xué)生自主探究，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提高、基本物理觀念的建立以及核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。本裝置對各個(gè)部分進(jìn)行有效地整合，實(shí)現(xiàn)了一體式測量，且整個(gè)裝置不需要連接外部電源，便于攜帶和移動(dòng)，教師上課之前拿到教室，開機(jī)即可使用。
四、實(shí)驗(yàn)原理
通電導(dǎo)線在磁場中會(huì)受到安培力的作用，根據(jù)左手定則可知，安培力方向垂直于磁場方向與電流方向所確定的平面。為了利用電子秤測量安培力的大小，需使安培力的方向沿豎直方向，通過電子秤顯示的質(zhì)量變化可計(jì)算得到導(dǎo)線所受安培力大小。
五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)
1. 知識與技能
引導(dǎo)學(xué)生利用常規(guī)儀器，借助于“微小力放大法”、“轉(zhuǎn)化法”等常見思想方法開展對安培力大小的定量研究。
2.       過程與方法
體會(huì)控制變量法在科學(xué)探究中的應(yīng)用，經(jīng)歷科學(xué)探究的過程：發(fā)現(xiàn)問題à設(shè)計(jì)并改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)à實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證à思維拓展，使學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐過程中提升自己的思維能力、探究能力及分析解決問題能力。
3.       情感、態(tài)度、價(jià)值觀
通過參與探究裝置的設(shè)計(jì)與制作，并進(jìn)一步利用自制裝置開展探究實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實(shí)事求是、精益求精的精神。
六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及過程
(一)、教學(xué)內(nèi)容：
在上一節(jié)中，學(xué)生探究了安培力的方向，本節(jié)課在此基礎(chǔ)上，利用自制的創(chuàng)新儀器進(jìn)一步探究影響安培力大小的因素及其定量關(guān)系。
(二)、教學(xué)過程：
1.采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對安培力大小的影響因素進(jìn)行定性分析。
2. 介紹自制安培力大小定量研究裝置的原理，并利用該裝置對安培力大小進(jìn)行定量研究。由于影響安培力大小的因素較多，本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法。
(1)保持電流I、導(dǎo)線長度L、夾角θ不變，改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B
將線圈電流控制電路與線圈整體固定并置于電子秤上，使線圈上邊框置于磁鐵兩磁極之間的勻強(qiáng)磁場區(qū)域。打開電子秤，此時(shí)顯示屏?xí)�顯示其上所放置線圈的質(zhì)量，將其歸零。按下總開關(guān)，接通控制電路電源，由于通電線圈受到安培力作用，會(huì)使電子秤所受壓力發(fā)生變化，通過電子秤示數(shù)可以計(jì)算出安培力的大小。如圖2(a-c)所示，依次改變兩磁極之間的距離，分別記錄不同距離下電子秤的示數(shù)，利用傳感器對不同距離下的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定，從而可得到安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理可得：安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。
 

圖2 安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系的研究
(2)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B、導(dǎo)線長度L、夾角θ不變，改變電流I
如圖3(a~c)所示，保持兩磁極之間的距離不變，通過調(diào)節(jié)線圈電流控制電路中的可變電阻，改變流過線圈的電流，依次記錄不同電流下電子秤的示數(shù)，并計(jì)算安培力的大小。如圖3(d, e)所示，將數(shù)據(jù)輸入到表格當(dāng)中，繪制圖象并進(jìn)行擬合可知：安培力大小與導(dǎo)線中電流成正比。

圖3 安培力大小與電流關(guān)系的研究
(3)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電流I、夾角θ不變，改變導(dǎo)線長度L
如圖4(a, b)所示，按下總開關(guān)，保持開關(guān)1和2處于斷開狀態(tài)，此時(shí)電路中連入一個(gè)線圈，其有效長度為12m；再按下開關(guān)1，有兩個(gè)線圈連入電路，其有效長度為24m；再按下開關(guān)2，有三個(gè)線圈連入電路，其有效長度為36m。通過調(diào)節(jié)可變電阻，使得三種情況下電路中的電流保持不變，并記錄電子秤示數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，保持其余條件不變的情況下，導(dǎo)線長度為12m時(shí)，計(jì)算得到安培力大小為0.0134N，導(dǎo)線長度為24m時(shí)，安培力大小為0.027N，導(dǎo)線長度為36時(shí)，安培力大小為0.0442N，滿足1:2:3的關(guān)系。將得到的數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖4(c)所示，可得安培力大小與導(dǎo)線在磁場中的長度成正比。

圖4 安培力大小與導(dǎo)線長度關(guān)系的研究
(4) 保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電流I、導(dǎo)線長度L不變，改變夾角θ
如圖5(a-d)所示，轉(zhuǎn)動(dòng)電子秤上的轉(zhuǎn)盤，改變線圈電流與磁場夾角，記錄不同夾角下電子秤的示數(shù)并計(jì)算安培力。如圖5(e, f)所示，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理可得：安培力大小與夾角的正弦值成正比。此處也可讓學(xué)生繪制F-sinθ圖像，體會(huì)一次函數(shù)在實(shí)驗(yàn)中的重要作用。

圖5 安培力大小與角度關(guān)系的研究
3.綜上所述，安培力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B，電流I，導(dǎo)線長度L以及電流與磁場夾角θ的正弦值成正比，得出其表達(dá)式為F=BILsinθ。
4. 關(guān)閉各電源，整理實(shí)驗(yàn)儀器，對本節(jié)課內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。
七、實(shí)驗(yàn)效果評價(jià)
本實(shí)驗(yàn)采用自制的安培力大小定量研究裝置實(shí)現(xiàn)了安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度B，電流I，導(dǎo)線長度L以及電流與磁場夾角θ的定量關(guān)系的探究。實(shí)驗(yàn)中所采用的儀器均為實(shí)驗(yàn)室中的常見儀器，操作簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一目了然，所得數(shù)據(jù)正比關(guān)系明顯，誤差較小，有利于學(xué)生理解安培力大小的影響因素。且本實(shí)驗(yàn)有效地避免了外置導(dǎo)線對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)了線圈的自由移動(dòng)。此外，本實(shí)驗(yàn)裝置簡潔，無需任何外置電源，便于攜帶。
縱觀本節(jié)課，通過對比分析傳統(tǒng)定性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新定量實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生思考并提出改進(jìn)方案，動(dòng)手實(shí)踐自主探究，有利于學(xué)生完成物理思維的構(gòu)建和核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。
 
天津外國語大學(xué)附屬外國語學(xué)校
李靜

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