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视频课题：第五届全国高中物理教师微课讲课视频《安培力大小的定量研究实验》天津
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第五届全国高中物理教师微课讲课视频《安培力大小的定量研究实验》天津外国语大学附属外国语学校高中物理
安培力大小的定量研究实验
天津外国语大学附属外国语学校 李静
一、使用教材
人教版高中《物理》选修3-1第三章磁场第4节。
二、实验器材
如图1（a）所示，自制安培力大小定量研究装置由磁铁、磁铁支架、导轨、电子秤、角度盘、3个150匝8*18cm线圈（每个线圈在磁场中有效长度为12m）、线圈支架、线圈电流控制电路构成。其中线圈电流控制电路由电池、可变电阻、数显电流表、开关、导线组成，放置于白色容器内。其电路的内部构造和电路图如图1（b, c）所示，通过开关1和开关2的闭合，可控制接入电路的线圈个数。
图1 (a)自制安培力大小的定量研究装置 (b)线圈电流控制电路构造 (c)电路图
三、 实验创新要点/改进要点
人教版教材中对于安培力大小的研究只给出了一个定性实验，而在这个定性实验之后直接给出了定量的结论，即通电导线与磁场方向垂直时F=BIL。定量实验与定性结论之间的认知差距，为同学们留下了进一步思考和探究的空间。另外对于导线与磁场方向不垂直的情况，教材并未进行深入讨论。基于上述原因，笔者对传统安培力大小探究实验装置进行了优化和完善，制作了安培力大小定量研究装置，其主要创新和改进要点如下：
（1）优化并整合外部线圈电流控制电路，避免了外部悬放导线对实验测量的影响
在传统安培力研究实验中，线圈电流通过外部电路进行控制，其需用导线进行连接，而处于悬空状态下的导线易对电子秤的示数造成影响，降低了测量的稳定性和准确性。例如，在无外加磁场情况下转动线圈，电子秤的示数会出现明显变化，导致每次实验前都需要对仪器读数进行归零，增加实验操作的难度。另外在调节外部电路过程中，不小心晃动电路导线，也会导致不准确的测量结果。本实验将外部控制电路与线圈整合为一体，并将其放置于电子秤之上，有效避免了调节外部电路、转动线圈等实验操作对安培力测量的影响。
（2）采取多匝漆包线和电子秤的组合，实现微小力的放大与测量
通常，高中物理实验室中蹄形磁铁或条形磁铁周围磁场强度在0.01~0.5T之间，通电导线长度一般为10~20cm左右，考虑到导线所能承受的电流不宜过高，通电导线在磁场中受到的安培力大约在10-3~10-2N量级，传统实验使用的弹簧测力计或传感器难以准确测量其大小。本实验中利用直径0.4mm的漆包线自制了3个150匝8*18cm的线圈替代单根导线，增大通电导线在磁场中的长度，从而增大安培力。同时，采用精度为0.01g的电子秤代替弹簧秤，通过换算可知，其力的测量精度可达10-4N，可实现对安培力的高精度测量。
（3）将定性分析实验改为定量研究实验，全面简便地实现了对所有变量的定量研究
影响安培力大小的因素较多，包括磁感应强度B，电流I，导线长度L以及电流与磁场夹角θ。在传统安培力研究实验中，少有实验装置能简便实现所有变量的定量研究。本实验中，通过顶端的导轨，可改变两磁极之间磁场的磁感应强度B，其数值可利用传感器进行标定；调节可变电阻，可改变通过线圈的电流I，其数值可由电流表读出；转动电子秤上的转盘，可实现电流与磁场夹角θ的调节，其角度值可通过角度盘读出；通过两个控制开关的通断，可调节三个并联线圈的接入个数，实现导线长度L的调节。因此该实验装置能简单方便地实现对所有变量的定量研究。
（4）实验装置一体化，便于携带，随取随用
制作实验装置所使用的均为学生熟悉的常见器材，且该装置操作简单，利于学生自主探究，促进学生学习兴趣的提高、基本物理观念的建立以及核心素养的培养。本装置对各个部分进行有效地整合，实现了一体式测量，且整个装置不需要连接外部电源，便于携带和移动，教师上课之前拿到教室，开机即可使用。
四、实验原理
通电导线在磁场中会受到安培力的作用，根据左手定则可知，安培力方向垂直于磁场方向与电流方向所确定的平面。为了利用电子秤测量安培力的大小，需使安培力的方向沿竖直方向，通过电子秤显示的质量变化可计算得到导线所受安培力大小。
五、实验教学目标
1. 知识与技能
引导学生利用常规仪器，借助于“微小力放大法”、“转化法”等常见思想方法开展对安培力大小的定量研究。
2. 过程与方法
体会控制变量法在科学探究中的应用，经历科学探究的过程：发现问题à设计并改进传统实验à实验验证à思维拓展，使学生在动手实践过程中提升自己的思维能力、探究能力及分析解决问题能力。
3. 情感、态度、价值观
通过参与探究装置的设计与制作，并进一步利用自制装置开展探究实验，激发学生对科学实验的兴趣，在此过程中培养学生严谨的科学态度和实事求是、精益求精的精神。
六、实验教学内容及过程
(一)、教学内容：
在上一节中，学生探究了安培力的方向，本节课在此基础上，利用自制的创新仪器进一步探究影响安培力大小的因素及其定量关系。
(二)、教学过程：
1.采用传统实验对安培力大小的影响因素进行定性分析。
2. 介绍自制安培力大小定量研究装置的原理，并利用该装置对安培力大小进行定量研究。由于影响安培力大小的因素较多，本实验采用控制变量法。
(1)保持电流I、导线长度L、夹角θ不变，改变磁感应强度B
将线圈电流控制电路与线圈整体固定并置于电子秤上，使线圈上边框置于磁铁两磁极之间的匀强磁场区域。打开电子秤，此时显示屏会显示其上所放置线圈的质量，将其归零。按下总开关，接通控制电路电源，由于通电线圈受到安培力作用，会使电子秤所受压力发生变化，通过电子秤示数可以计算出安培力的大小。如图2(a-c)所示，依次改变两磁极之间的距离，分别记录不同距离下电子秤的示数，利用传感器对不同距离下的磁感应强度进行标定，从而可得到安培力大小与磁感应强度之间的关系。将数据输入到计算机中，对数据进行拟合处理可得：安培力大小与磁感应强度成正比。
图2 安培力大小与磁感应强度关系的研究
(2)保持磁感应强度B、导线长度L、夹角θ不变，改变电流I
如图3(a~c)所示，保持两磁极之间的距离不变，通过调节线圈电流控制电路中的可变电阻，改变流过线圈的电流，依次记录不同电流下电子秤的示数，并计算安培力的大小。如图3(d, e)所示，将数据输入到表格当中，绘制图象并进行拟合可知：安培力大小与导线中电流成正比。
图3 安培力大小与电流关系的研究
(3)保持磁感应强度B、电流I、夹角θ不变，改变导线长度L
如图4(a, b)所示，按下总开关，保持开关1和2处于断开状态，此时电路中连入一个线圈，其有效长度为12m；再按下开关1，有两个线圈连入电路，其有效长度为24m；再按下开关2，有三个线圈连入电路，其有效长度为36m。通过调节可变电阻，使得三种情况下电路中的电流保持不变，并记录电子秤示数。实验结果显示，保持其余条件不变的情况下，导线长度为12m时，计算得到安培力大小为0.0134N，导线长度为24m时，安培力大小为0.027N，导线长度为36时，安培力大小为0.0442N，满足1:2:3的关系。将得到的数据绘制成图，如图4(c)所示，可得安培力大小与导线在磁场中的长度成正比。
图4 安培力大小与导线长度关系的研究
(4) 保持磁感应强度B、电流I、导线长度L不变，改变夹角θ
如图5(a-d)所示，转动电子秤上的转盘，改变线圈电流与磁场夹角，记录不同夹角下电子秤的示数并计算安培力。如图5(e, f)所示，对所得数据进行拟合处理可得：安培力大小与夹角的正弦值成正比。此处也可让学生绘制F-sinθ图像，体会一次函数在实验中的重要作用。
图5 安培力大小与角度关系的研究
3.综上所述，安培力F与磁感应强度B，电流I，导线长度L以及电流与磁场夹角θ的正弦值成正比，得出其表达式为F=BILsinθ。
4. 关闭各电源，整理实验仪器，对本节课内容进行总结。
七、实验效果评价
本实验采用自制的安培力大小定量研究装置实现了安培力与磁感应强度B，电流I，导线长度L以及电流与磁场夹角θ的定量关系的探究。实验中所采用的仪器均为实验室中的常见仪器，操作简单，实验现象一目了然，所得数据正比关系明显，误差较小，有利于学生理解安培力大小的影响因素。且本实验有效地避免了外置导线对实验结果的影响，实现了线圈的自由移动。此外，本实验装置简洁，无需任何外置电源，便于携带。
纵观本节课，通过对比分析传统定性实验和创新定量实验，鼓励学生思考并提出改进方案，动手实践自主探究，有利于学生完成物理思维的构建和核心素养的养成。
天津外国语大学附属外国语学校
李静
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
