聯系本站客服加+微信號15139388181 或QQ：983228566 |
視頻標簽：全國高中物理,教師微課,講課視頻
所屬欄目：模擬課、微型課及試講
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驗》天津
本視頻配套資料的教學設計、課件 /課堂實錄及教案下載可聯本站系客服
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驗》天津外國語大學附屬外國語學校高中物理
安培力大小的定量研究實驗
天津外國語大學附屬外國語學校 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。
二、實驗器材
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、導軌、電子秤、角度盤、3個150匝8*18cm線圈（每個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成。其中線圈電流控制電路由電池、可變電阻、數顯電流表、開關、導線組成，放置于白色容器內。其電路的內部構造和電路圖如圖1（b, c）所示，通過開關1和開關2的閉合，可控制接入電路的線圈個數。
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造 (c)電路圖
三、 實驗創新要點/改進要點
人教版教材中對于安培力大小的研究只給出了一個定性實驗，而在這個定性實驗之后直接給出了定量的結論，即通電導線與磁場方向垂直時F=BIL。定量實驗與定性結論之間的認知差距，為同學們留下了進一步思考和探究的空間。另外對于導線與磁場方向不垂直的情況，教材并未進行深入討論。基于上述原因，筆者對傳統安培力大小探究實驗裝置進行了優化和完善，制作了安培力大小定量研究裝置，其主要創新和改進要點如下：
（1）優化并整合外部線圈電流控制電路，避免了外部懸放導線對實驗測量的影響
在傳統安培力研究實驗中，線圈電流通過外部電路進行控制，其需用導線進行連接，而處于懸空狀態下的導線易對電子秤的示數造成影響，降低了測量的穩定性和準確性。例如，在無外加磁場情況下轉動線圈，電子秤的示數會出現明顯變化，導致每次實驗前都需要對儀器讀數進行歸零，增加實驗操作的難度。另外在調節外部電路過程中，不小心晃動電路導線，也會導致不準確的測量結果。本實驗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，有效避免了調節外部電路、轉動線圈等實驗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，實現微小力的放大與測量
通常，高中物理實驗室中蹄形磁鐵或條形磁鐵周圍磁場強度在0.01~0.5T之間，通電導線長度一般為10~20cm左右，考慮到導線所能承受的電流不宜過高，通電導線在磁場中受到的安培力大約在10-3~10-2N量級，傳統實驗使用的彈簧測力計或傳感器難以準確測量其大小。本實驗中利用直徑0.4mm的漆包線自制了3個150匝8*18cm的線圈替代單根導線，增大通電導線在磁場中的長度，從而增大安培力。同時，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10-4N，可實現對安培力的高精度測量。
（3）將定性分析實驗改為定量研究實驗，全面簡便地實現了對所有變量的定量研究
影響安培力大小的因素較多，包括磁感應強度B，電流I，導線長度L以及電流與磁場夾角θ。在傳統安培力研究實驗中，少有實驗裝置能簡便實現所有變量的定量研究。本實驗中，通過頂端的導軌，可改變兩磁極之間磁場的磁感應強度B，其數值可利用傳感器進行標定；調節可變電阻，可改變通過線圈的電流I，其數值可由電流表讀出；轉動電子秤上的轉盤，可實現電流與磁場夾角θ的調節，其角度值可通過角度盤讀出；通過兩個控制開關的通斷，可調節三個并聯線圈的接入個數，實現導線長度L的調節。因此該實驗裝置能簡單方便地實現對所有變量的定量研究。
（4）實驗裝置一體化，便于攜帶，隨取隨用
制作實驗裝置所使用的均為學生熟悉的常見器材，且該裝置操作簡單，利于學生自主探究，促進學生學習興趣的提高、基本物理觀念的建立以及核心素養的培養。本裝置對各個部分進行有效地整合，實現了一體式測量，且整個裝置不需要連接外部電源，便于攜帶和移動，教師上課之前拿到教室，開機即可使用。
四、實驗原理
通電導線在磁場中會受到安培力的作用，根據左手定則可知，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量變化可計算得到導線所受安培力大小。
五、實驗教學目標
1. 知識與技能
引導學生利用常規儀器，借助于“微小力放大法”、“轉化法”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
體會控制變量法在科學探究中的應用，經歷科學探究的過程：發現問題à設計并改進傳統實驗à實驗驗證à思維拓展，使學生在動手實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、態度、價值觀
通過參與探究裝置的設計與制作，并進一步利用自制裝置開展探究實驗，激發學生對科學實驗的興趣，在此過程中培養學生嚴謹的科學態度和實事求是、精益求精的精神。
六、實驗教學內容及過程
(一)、教學內容：
在上一節中，學生探究了安培力的方向，本節課在此基礎上，利用自制的創新儀器進一步探究影響安培力大小的因素及其定量關系。
(二)、教學過程：
1.采用傳統實驗對安培力大小的影響因素進行定性分析。
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行定量研究。由于影響安培力大小的因素較多，本實驗采用控制變量法。
(1)保持電流I、導線長度L、夾角θ不變，改變磁感應強度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磁場區域。打開電子秤，此時顯示屏會顯示其上所放置線圈的質量，將其歸零。按下總開關，接通控制電路電源，由于通電線圈受到安培力作用，會使電子秤所受壓力發生變化，通過電子秤示數可以計算出安培力的大小。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，利用傳感器對不同距離下的磁感應強度進行標定，從而可得到安培力大小與磁感應強度之間的關系。將數據輸入到計算機中，對數據進行擬合處理可得：安培力大小與磁感應強度成正比。
圖2 安培力大小與磁感應強度關系的研究
(2)保持磁感應強度B、導線長度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，通過調節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，并計算安培力的大小。如圖3(d, e)所示，將數據輸入到表格當中，繪制圖象并進行擬合可知：安培力大小與導線中電流成正比。
圖3 安培力大小與電流關系的研究
(3)保持磁感應強度B、電流I、夾角θ不變，改變導線長度L
如圖4(a, b)所示，按下總開關，保持開關1和2處于斷開狀態，此時電路中連入一個線圈，其有效長度為12m；再按下開關1，有兩個線圈連入電路，其有效長度為24m；再按下開關2，有三個線圈連入電路，其有效長度為36m。通過調節可變電阻，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。實驗結果顯示，保持其余條件不變的情況下，導線長度為12m時，計算得到安培力大小為0.0134N，導線長度為24m時，安培力大小為0.027N，導線長度為36時，安培力大小為0.0442N，滿足1:2:3的關系。將得到的數據繪制成圖，如圖4(c)所示，可得安培力大小與導線在磁場中的長度成正比。
圖4 安培力大小與導線長度關系的研究
(4) 保持磁感應強度B、電流I、導線長度L不變，改變夾角θ
如圖5(a-d)所示，轉動電子秤上的轉盤，改變線圈電流與磁場夾角，記錄不同夾角下電子秤的示數并計算安培力。如圖5(e, f)所示，對所得數據進行擬合處理可得：安培力大小與夾角的正弦值成正比。此處也可讓學生繪制F-sinθ圖像，體會一次函數在實驗中的重要作用。
圖5 安培力大小與角度關系的研究
3.綜上所述，安培力F與磁感應強度B，電流I，導線長度L以及電流與磁場夾角θ的正弦值成正比，得出其表達式為F=BILsinθ。
4. 關閉各電源，整理實驗儀器，對本節課內容進行總結。
七、實驗效果評價
本實驗采用自制的安培力大小定量研究裝置實現了安培力與磁感應強度B，電流I，導線長度L以及電流與磁場夾角θ的定量關系的探究。實驗中所采用的儀器均為實驗室中的常見儀器，操作簡單，實驗現象一目了然，所得數據正比關系明顯，誤差較小，有利于學生理解安培力大小的影響因素。且本實驗有效地避免了外置導線對實驗結果的影響，實現了線圈的自由移動。此外，本實驗裝置簡潔，無需任何外置電源，便于攜帶。
縱觀本節課，通過對比分析傳統定性實驗和創新定量實驗，鼓勵學生思考并提出改進方案，動手實踐自主探究，有利于學生完成物理思維的構建和核心素養的養成。
天津外國語大學附屬外國語學校
李靜
視頻來源：優質課網 www.jixiangsibao.com
