电磁学安培定则基础实验指导书

电磁学安培定则基础实验指导书一、实验名称安培定则（右手螺旋定则）的探究与应用二、实验目的1.深入理解电流周围存在磁场这一基本电磁现象。2.掌握安培定则（右手螺旋定则）的两种基本表述，并能熟练运用其判断直线电流、环形电流及通电螺线管周围磁场的方向。3.通过实验观察，直观感受电流方向与磁场方向之间的内在联系，培养动手操作能力与空间想象能力。4.初步体会控制变量法在物理实验中的应用，提升分析和解决简单物理问题的能力。三、实验原理通电导体周围会产生磁场，这一现象被称为电流的磁效应。磁场的方向与电流的方向密切相关，安培定则（右手螺旋定则）正是用来描述这一方向关系的重要工具。其核心思想是利用右手的特定手势来模拟电流方向与磁场磁感线方向之间的螺旋关系。具体而言，安培定则有两种常见应用场景：1.直线电流的磁场：伸开右手，让大拇指与其余四指垂直，且都与手掌在同一平面内。若以大拇指指向表示直线电流的方向，则其余四指弯曲的环绕方向即为该电流所激发磁场的磁感线方向（磁场方向）。2.环形电流（或通电螺线管）的磁场：同样伸开右手，让大拇指与其余四指垂直，且都与手掌在同一平面内。若使四指弯曲的方向与环形电流（或通电螺线管线圈中电流）的环绕方向一致，则大拇指所指的方向即为环形电流中心轴线上的磁场方向（或通电螺线管内部的磁场方向，即螺线管的N极指向）。本实验将通过小磁针在磁场中受力偏转的现象，间接观察磁场的存在及其方向，并结合不同形式的电流，验证安培定则的正确性。四、实验仪器与材料1.低压直流电源：提供稳定的直流电流，注意输出电压应在安全范围内。2.直导线：若干，用于形成直线电流。3.螺线管：一个，带有明显的绕向标识。4.小磁针：若干，用于指示磁场方向。5.开关：一个，用于控制电路的通断。6.导线若干：用于连接电路元件。7.方座支架（或铁架台）：用于固定直导线或螺线管。8.圆形或方形硬纸板（可选）：中心开孔，用于辅助观察环形电流磁场的分布（若使用环形电流模块）。9.电源连接线：确保接触良好。五、实验内容与步骤（一）直线电流的磁场方向判断1.电路连接：将低压直流电源、开关、直导线用导线串联起来，形成一个简单的闭合回路。注意开关应处于断开状态，直导线预留出足够长度以便悬挂或固定。2.直导线固定：将直导线垂直穿过水平放置的硬纸板（若使用）中心，或用支架将其固定为竖直状态，确保其周围有足够空间放置小磁针。3.小磁针放置：在直导线周围的不同位置（如导线正前方、正后方、正左方、正右方以及斜上方等）放置小磁针，确保小磁针初始时能自由转动，并记录此时各小磁针N极的指向（可视为地磁场作用下的初始指向）。4.通电观察：闭合开关，使直导线中有电流通过（注意观察电流方向，记录从电源正极流出的电流是向上还是向下通过直导线）。观察各位置小磁针的偏转情况，待小磁针稳定后，记录其N极所指的方向，此方向即为该点的磁场方向。5.电流反向验证：断开开关，改变电源的正负极连接，从而改变直导线中的电流方向。再次闭合开关，观察并记录各小磁针N极的新指向。6.应用安培定则判断：根据所记录的电流方向，运用安培定则（直线电流情形）判断直导线周围磁场的理论方向，并与实验中观察到的小磁针N极指向进行对比，分析是否一致。7.整理：断开开关，整理实验器材。（二）通电螺线管的磁场方向判断1.电路连接：将低压直流电源、开关、螺线管用导线串联起来。同样，开关先断开。2.螺线管固定与小磁针放置：将螺线管水平或竖直固定在支架上。在螺线管的两端、内部中心以及周围不同位置放置小磁针。记录各小磁针在断电状态下的初始指向。3.通电观察：闭合开关，使螺线管通电。观察并记录螺线管两端及周围小磁针稳定后的N极指向。特别注意螺线管两端小磁针的指向差异，以及螺线管内部小磁针的指向。4.电流反向验证：断开开关，改变电源正负极连接以改变螺线管中的电流方向。再次闭合开关，观察并记录各小磁针N极的指向变化。5.应用安培定则判断：根据螺线管的绕线方向以及所记录的电流流入、流出方向，运用安培定则（环形电流/螺线管情形）判断螺线管两端的极性（N极和S极），并与实验中小磁针的指向进行对照。6.整理：断开开关，拆除电路，将实验器材归位。六、数据记录与处理（一）直线电流部分实验条件电流方向（直导线中）小磁针位置描述小磁针N极指向（实验观察）磁场方向（安培定则判断）结论（是否一致）:---------------:-------------------:-------------------:-----------------------:-----------------------:---------------电流方向一（例如：向上）导线正前方导线正后方导线正左方导线正右方电流方向二（反向）（例如：向下）导线正前方导线正后方导线正左方导线正右方（二）通电螺线管部分实验条件电流流入端/流出端螺线管绕向（从某端看）小磁针位置描述小磁针N极指向（实验观察）螺线管极性（实验判断）螺线管极性（安培定则判断）结论（是否一致）:---------------:----------------:---------------------:-------------------:-----------------------:---------------------:-------------------------:---------------电流方向一（例如：A端流入，B端流出）（例如：顺时针）螺线管A端附近螺线管B端附近螺线管内部中心电流方向二（反向）（例如：B端流入，A端流出）（例如：顺时针）螺线管A端附近螺线管B端附近螺线管内部中心数据处理与分析：1.对于直线电流，根据实验数据，在坐标纸上以直导线为中心，尝试用箭头标出各点的磁场方向，并据此描绘出磁感线的大致形状（同心圆）。比较不同电流方向下磁感线的环绕方向。2.对于通电螺线管，根据实验数据确定螺线管的N、S极。分析当电流方向改变时，螺线管极性如何变化。比较螺线管内部与外部磁场方向的特点。3.将实验观察到的磁场方向（小磁针N极指向）与运用安培定则判断出的理论方向进行逐一比对，分析实验结果的可靠性及可能存在的误差来源。七、注意事项1.安全第一：本实验使用低压直流电源，务必在规定电压范围内操作，严禁触摸裸露导线，防止短路。实验过程中若发现导线过热或其他异常现象，应立即断开电源。2.开关操作：在连接电路或更换元件时，开关必须处于断开状态。通电时间不宜过长，以免导线发热过多。3.小磁针使用：放置小磁针时，应远离其他磁性物体（包括铁制支架），避免其受到外界磁场干扰。观察时待小磁针完全静止后再记录方向。4.电流方向记录：清晰记录电流从电源正极流出后，通过直导线或螺线管的具体方向，这是运用安培定则判断的关键。5.螺线管绕向：仔细辨认螺线管的导线绕向（顺时针或逆时针），并结合电流流入端，才能正确应用安培定则。6.地磁场影响：实验应在相对安静、无强磁场干扰的环境中进行。对于直线电流磁场的观察，若小磁针偏转角度较小，可考虑其受地磁场与电流磁场共同作用的结果，可通过改变电流方向观察偏转方向是否反向来辅助判断。7.仪器保护：轻拿轻放实验仪器，特别是小磁针，避免摔落或强烈震动导致磁性减弱或消磁。八、思考题1.当直导线中的电流增大时，小磁针的偏转角度会如何变化？这说明了什么？2.若在实验中，直线电流周围的小磁针无论电流方向如何，其指向始终不变，可能的原因是什么？3.对于一个给定的通电螺线管，如何仅利用一个已知磁极的小磁针来确定其电流方向？4.安培定则中的“右手螺旋”具体体现在哪些方面？请分别结合直线电流和环形电流（螺线管）的情况加以说明。5.试分析在环形电流中心处，其磁场方向应如何用安培定则判断？（可自行设计简单实验验证）6.日常生活中，有哪些电器或设备应用了电流的磁效应？它们的工作原理是否与安培定则相关？九、实验总结与讨论（本部分由学生在实验完成后根据实际情况填写，包括对实验现象的总结、实验结论的概括、实验过程中遇到的问题及解决方法、实验误差分析以及对实验的改进建议等。）1.实验现象总结：简要描述在直线电流和螺线管电流两种情况下，小磁针偏转方向与电流方向之间的关系。2.实验结论：明确说明本次实