陈新光 范功怀 林钦

摘   要：安培力是物理学中重要的物理量，但由于磁场的不易测量性，使得实验教学的说服力降低。考虑到电流和长度对安培力大小影响的实验设计容易实现，文章以人教版实验设计为基础，借助有限元数值模拟软件完成磁感应强度对安培力的影响实验，并对实验结果深入分析，希望能为本节实验教学和安培力实验设计提供一定的参考。

关键词：磁场分布;安培力;实验;有限元

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）10-0067-3

在高中物理教学过程中，不同版本的教材对安培力的教学都安排了实验探究。由于磁场本身的不可视性以及初学者对磁场认知水平的局限性，定量探究安培力的实验设计变得尤为困难，特别是磁感应强度对安培力的影响，很多教材也都没有给出直接的定量关系。该实验一直是探究的热点问题，许多教师都在想尽办法实现安培力实验的定量设计[1-6]。在设计本实验时，磁感应强度的矢量性和不易测量性对磁感应强度的定量控制造成困难。目前可行的对策基本是使用电磁铁或亥姆霍兹线圈等元件控制电流的间接方法，从而取代课本中蹄形磁铁控制磁感应强度的方法。但是，用电磁铁或者亥姆霍兹线圈取代蹄形磁铁，思路大同小异，还是不能直接得到磁感应强度与安培力的关系，同时又可能会超出学生的认知水平，影响教学质量。

ANSYS软件是一款基于有限元算法的多物理场大型数值模拟软件[7-8]，是国际上使用率最广的计算机辅助工程软件之一，其中电磁学分析模块是基于麦克斯韦方程组，采用有限元离散方法求解各类二维、三维的电磁问题。……