定量探究安培力的大小创新实验及教学设计

《定量探究安培力的大小》广东省遂溪县第一中学周秋静、王静、支晓明一、使用教材本节内容选自粤教版（2019）选择性第二册第一章《磁场》第一节《安培力》二、实验器材稳压电源、数字电流表、滑动变阻器、开关、导线若干、力传感器、可变匝数的线圈、铷铁硼磁铁、数字高斯计、转盘、电脑、智能手机。三、实验改进要点采用力传感器，数字电流表，数字高斯计，测量更灵敏，读数更精确，效果更明显；变单股导线为40匝、70匝、100匝线圈，通过改变线圈的匝数，可以便捷地定量控制浸入磁场的导线有效长度；采用铷铁硼强力薄片磁铁进行仪器结构的优化，解决了磁铁侧面漏磁边缘化问题；铁架横梁部分用以吸附薄片磁铁，更换磁铁以改变磁场时非常便捷；将定性分析实验改为定量探究实验，全面简便地实现了对所有变量的定量研究；实验装结构简易，原理突出，操作简便，教学功能显著。四、实验设计思路（一）制作材料在以往的教学过程中用传统的实验手段粗略地演示导线与磁场垂直时所受安培力与电流大小、导线有效长度、磁场的定性关系。结合实验和理论推导得到安培力的数学表达式。由定性实验定量得出安培力大小的表达式是有一定的困难的，对于学生而言也存在认识差异。教材“实践与拓展”栏目有另一种设计方案，将固定在铁架台上的力传感器测量安培力的大小，通过滑动变阻器改变电流大小探究安培力与电流的关系；通过更换线圈置于磁场中不同的边探究安培力与长度的关系。以上这个是半定量的实验探究。若将定性分析改为全定量探究，将教师演示实验改为学生分组，让学生体验完整的探究过程。我想对于理解这部分内容将大有裨益。因此，我此次实验教学内容为在新教材实验基础上改为全定量探究。那如何做好定量探究呢？需要解决以下问题：如何测量微小的安培力？如何定量研究F与B的关系？如何定量研究F与I的关系？如何定量研究F与θ的关系？因此，再次通过查阅文献资料，多次尝试，最终制作出该定量探究的实验装置。由以下几部分组成：稳压电源、数字电流表、滑动变阻器、开关、导线若干、力传感器、可变匝数的线圈、铷铁硼磁铁、数字高斯计、转盘、电脑、智能手机。（二）制作过程实验主体装置如图所示，用塑料水管搭起支架，将力传感器卡在支架上，传感器一端接线圈（如图1所示）。将智能手机打开蓝牙连接吊称，便可以在手机中读出安培力的大小。（手机软件根据F=mg，g=9.8m/s2将吊秤测出来的质量转换成力,在手机上显示力，从而构成一个拉力传感器）本实验利用直径0.4mm的漆包线自制了一个规格为40mm×70mm的线圈（使上横边远离磁场，避免磁铁上面漏磁对其影响）。线圈的三个红色接线柱（材料是铝）从左往右分别是40匝（有效长度为1.6m）、70匝（有效长度为2.8m）、100匝（有效长度为4m）（如图2所示）。通过接入不同的匝数，可以改变导线浸入磁场中的有效长度。拉力传感器拉力传感器图140匝70匝100匝4cm7cm图2通过铁屑显迹发现，薄片磁铁侧边磁感线发散很少（如图3所示）。本实验选用的是规格为100mm×50mm×5mm的铷铁硼薄片磁铁，正反面为充磁方向，即N极和S极所在面。将一对磁极吸附在U型框架上，便可产生水平方向的磁场。即使两磁极间并非匀强磁场，当把通电导线放入其中时磁场方向必与导线垂直。利用实验室中安培力演示仪的U型框改装，使相对距离为120mm,再将磁铁置于其两侧(如图4所示)。因此，可以分别用数字高斯计测出一对、两对、三对磁铁在导线处产生磁场磁感应强度的大小。图图3铷铁硼强力磁铁转盘图4将一块圆形木板固定在塑料底座上，再将打印好的圆周角刻度盘粘贴在上面，用螺母将U型框架与其相连，形成一个转盘。通过旋转U型框可以在底盘中读出磁场与电流的夹角，从而定量探究安培力及其关系。将稳压稳流的电源模块，数字电流表串联，开关，旋钮式滑动变阻器用导线串联构成电流调节电路（如图5所示）。整套装置组装后（如图6所示）。图图5图图6五、实验原理在水平方向的磁场中通电线圈的下边受到竖直向下的安培力，左右两边水平方向的安培力。因此，可利用与线圈一端连接的力传感器精确测出安培力的大小。打开手机蓝牙连接力传感器，便可以在手机中读出安培力的大小。将导线和电源、滑动变阻器、线圈、电流表串联形成可控制电路，电流可以由直流电流表测出；变单股导线为40匝、70匝、100匝线圈，规格为70×40mm，通过改变线圈的匝数，可以定量控制浸入磁场的导线有效长度；通过增加磁极对数来改变磁场，用数字高斯计测在导线处产生磁场磁感应强度的大小，从而进行定量研究；旋转U型框架可测量不同夹角θ对应安培力的数值，即可得出二者的定量关系。六、实验教学目标结合新课标下高中物理核心素养要求，我从物理观念、科学思维与实验探究、科学态度与责任，提出以下实验教学目标。（一）物理观念通过对探究安培力大小影响因素实验的创新改进，记录实验数据并得出结论，提高设计实验能力和创新能力，发展科学探究与创新意识核心素养。通过磁场对电流作用力的实验，体会安培力，生成安培力概念。（二）科学思维与探究经历安培力规律的探究过程，得出安培力大小的一般表达式，认识科学探究活动在物理学研究中的重要意义。（三）科学态度与责任通过对安培力规律的探究活动，了解科学探究的步骤和方法。在自主探究与交流互动中，培养学生尊重科学，实事求是，勇于探索的科学态度。实验教学重点、难点重点体验控制变量法定量探究影响安培力大小的因素并理解磁感应强度的定义及安培力的表达式。难点定量探究安培力大小与磁感应强度、电流大小、有效长度、电流与磁场夹角的关系。实验教学过程（一）实验教学内容我们知道磁场对通电导线会产生力的作用，这个力称为安培力。那么安培力的大小与什么因素有关呢？如何通过实验来探究安培力大小与影响因素间的定量关系呢？为使学生经历安培力概念的构建过程，体会通过实验观察现象，抽象概括的思维方式，本节实验课按照（图7）的逻辑思维过程来展开。图7图7（二）实验探究过程实验一、控制I、L、θ不变，改变B，探究F与B的定量关系控制I与L和θ不变，研究F与L的关系：实验过程中使用数字高斯计分别测出1对、2对、3对磁铁时线圈所在处的磁感应强度。通过excel表格记录实验数据，得出F与B的定量关系（如图8所示）。B/mTF/N15.020.03930.720.06945.780.098表1表1图图8实验二、控制B、L、θ不变，改变I，探究F与I的定量关系I/AF/N0.200.0390.250.0490.300.0590.350.0690.400.078控制L与B和θ不变，研究F与I的关系：取通电线圈的下横边作为研究对象，使其浸入三对正对的磁极中间，磁铁吸附在U型框上，实验过程不改变磁片对数和磁极间距。通过移动滑动变阻器的滑片改变通过线圈中的电流大小，电流可由直流电流表读出。通过excel表格记录不同电流时，安培力的大小，得出F与I的定量关系（如图9所示）。表2图表2图9实验三、控制B、I、θ不变，改变L，探究F与L的定量关系控制I与B和θ不变，研究F与L的关系：实验过程中改变接入线圈的匝数，从而改变处于磁场中的通电导线的有效长度L。通过excel表格记录不同匝数时，安培力的大小，得出F与L的定量关系（如图10所示）。L/mF/N40.0782.80.0491.60.020表3表3图图10实验四、控制B、L、I不变，改变θ，探究F与θ的定量关系控制I与L和B不变，研究F与θ的关系：实验过程中转动转盘可测量不同夹角θ对应安培力的数值，即可得出二者的定量关系（如图11所示）。θ/º015306090120150165180F/N00.0290.0490.0780.0980.0780.0490.020θ/º180195210240270300330345360F/N0-0.029-0.049-0.078-0.088-0.078-0.039-0.020表4表4图11图11（四）实验误差分析处于磁场中的线圈横边并非理想直导线磁铁间的磁场并非是理想的匀强磁场在旋转U型框架改变磁场与电流夹角时，磁感应强度并非严格不变利用手机软件将质量转化成力时，手机上显示的力大小保留3位小数，故安培力的测量存在误差磁场的测量存在误差线圈为金属导线电阻会随着温度的升高而增大，在实验过程中会影响通过电流的大小等。实验注意事项线圈保持竖直每次测量时线圈与磁铁位置保持不变实验观察时间要短，完成实验要及时断开开关测量磁场时，务必使霍尔芯片平面与磁场始终保持垂直，若磁场与传感器没有垂直，会引入测量误差八、实验效果评价（一）实验感知，丰富物理表象课堂中学生经历的主要实验如下：①制作小电动机，体验磁场对通电导线有力的作用——磁场对通电导线的作用力有着怎样的规律呢？②定性探究安培力大小的影响因素。③定量探究安培力与影响因素间的定量关系。除了发挥传统教学手段的作用外，我们还充分利用现代教学技术。例如，通过数字传感器采集数据，运用计算机excel表格分析处理数据等，这样不仅丰富实验内容，改进实验效果，还节省了时间，提高了教学效率。（二）突破难点，协作创新实验有效引导学生发挥主动积极性与丰富想象力对实验进行探究与创新。让每一个学生积极参与实验创新