陈一翔

摘要：安培力的研究是高中物理知识体系中比较重要的知识，运用教材中介绍的电流天平为背景，改进实验装置，运用电子天平和传统“杆秤”相结合，搭配学生电源，电流表，滑动变阻器等常见的仪器设计实验。改进后的实验装置能够定量地探究了安培力F与磁感应强度B、电流I、导线长度l及B与I的夹角θ的关系

关键词：安培力；电流天平；定量探究

本文介绍的实验仪器的设计灵感来自于人教版高中物理选修3-1第三章第四节《通电导线在磁场中受到的力》一节中的課后问题与练习中第三题。

原题如下：图所示为电流天平，可以用来测量匀强磁场的磁感应强度。它的右臂挂着矩形线圈，匝数为n，线圈的水平边长为l，处于匀强磁场内，磁感应强度B的方向与线圈平面垂直。当线圈中通过电流I时，调节砝码使两臂达到平衡。然后使电流反向，大小不变。这时需要在左盘中增加质量为m的砝码，才能使两臂再达到新的平衡。

（1）导出用n、m、l、I计算B的表达式。

（2）当n=9，l=10.0cm，I=0.10A，m=8.78g时，磁感应强度是多少？

笔者依据该题中所描述的电流天平的基础上进行实验设计，考虑到安培力的变化量较小，故改进为不等臂杠杆，设计成传统的杆秤的样式。但由于处在磁场中的线圈通电后，受到安培力的作用，使得“杆秤”不再平衡，需要重新寻找新的平衡位置，可较容易判断安培力的方向，但对于大小虽然可以运用力矩的关系定量算出，但是很麻烦，课堂演示不方便。故笔者设计该实验装置采用电子天平上放置一个重锤，重锤上方勾着“杆秤”。实验装置实物照片如图所示。

演示实验时，将电子天平读书归零。当通电后，处在磁场中的线圈收到安培力的作用，电子天平的示数由原来的0发生变化，数值可以用以便是安培力的大小的倍数（因为不是等臂杠杆），正负表示所受安培力的方向。当转动转台上的磁铁，即改变了磁场与电流的夹角，电子天平的示数也随之改变。当线圈位置与磁感应强度方向平行时，电子天平的示数变为0，即表示此位置，线圈不受安培力的作用。

该装置可以用于《3.2磁感应强度》一节中，定量探究F与I、L 的关系。可以通过改变滑动变阻器，改变电流I，记录多组F与I 的数据；将线圈放置在磁场中的长度加倍，其余条件不变，观察F与I的数据规律，从而得出相应的结论。

该装置可以用于《3.4通电导线在磁场中受到的力》一节中定量探究F与B和IL的夹角θ的关系。在磁铁盘下方放置一个自制的圆形量角器刻度盘，转动磁铁，即改变θ。记录θ与F的数据，输入Excel表格，可以辅助得出相应的结论。

参考文献：

[1]王玉涵，代伟，罗洁，邹勤，王丹.安培力定量分析演示仪的改进[J].物理实验，2017，37（04）：56-58+62

[2]胡敏强.安培力定量演示装置设计与实验研究[J].物理实验，2006（06）：26-27+30.