一、設(shè)計(jì)思路

1.如何測(cè)量安培力的大??？

由于本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是作用在一根通電直導(dǎo)線上的安培力，其測(cè)量值非常小，只有0.01N左右.普通的彈簧測(cè)力計(jì)的精度（0.1N）顯然不能滿足定量探究的需要.為此改用電子秤來測(cè)安培力的大小，其稱量為200g，感量為0.01g.轉(zhuǎn)化為測(cè)力計(jì)，其稱量為2N，感量為0.0001N，能滿足測(cè)安培力大小的需要.利用其“去皮”功能，能直接測(cè)出安培力，并用電子秤示數(shù)的正與負(fù)表示安培力的方向.若示數(shù)為正，說明受到安培力的方向向下；若示數(shù)為負(fù)，說明受到安培力的方向向上.測(cè)量時(shí)，將電子秤置于勻強(qiáng)磁場中，直導(dǎo)線放在電子秤的秤盤上，“去皮”歸零后，閉合開關(guān)，電流通過直導(dǎo)線，讀出電子秤的示數(shù)，其示數(shù)的10-2倍即為安培力的大小，單位為N.

2.怎樣改變電流的大??？

利用如圖3所示的學(xué)生電源，用改變電源電壓的方法來改變電流的大小，并通過電流表直接顯示.同時(shí)采用功率為10W、阻值為5Ω的繞線電阻R來保護(hù)電路.

3.怎樣改變導(dǎo)線的長度？

用14cm長的裸銅線作為直導(dǎo)線，焊5個(gè)連接點(diǎn)，安置在圖4所示的導(dǎo)線架上，并連接到五個(gè)接線柱上.選擇不同的接線柱，可方便地改變置于勻強(qiáng)磁場中的導(dǎo)線長度，分別為14cm、12cm、10cm和8cm.

4.怎樣改變磁場的強(qiáng)弱？

用圖5所示的兩個(gè)長15cm、高1cm、厚1cm的釹鐵硼強(qiáng)磁鐵代替蹄形磁鐵，增強(qiáng)勻強(qiáng)磁場的寬度，達(dá)15cm.將其放在兩根下面有與儀器架連接的一排鐵螺釘、上面有長度刻度線的導(dǎo)軌上.利用磁體的吸鐵性使其與導(dǎo)軌固定，利用刻度線確定強(qiáng)磁鐵之間的距離，移動(dòng)強(qiáng)磁體在導(dǎo)軌上的位置來改變磁體間的距離d.

5.怎樣描述力、電流、磁場三者方向的關(guān)系？

用箭頭直觀地描述電流方向（向左“←”或向右“→”）和磁場方向（進(jìn)去“×”或出來“•”），用電子秤顯示數(shù)的正負(fù)描述安培力的方向（向下“↓”或向上“↑”），從中歸納出用左手定則來判定安培力的方向.

二、制作儀器

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，制作安培力探究儀，并將其與高中學(xué)生電源、電流表、保護(hù)電阻按圖1所示電路圖連成電路，其實(shí)物照片如圖6所示.用它可以非常方便地定量探究影響安培力F大小的三個(gè)因素（電流大小I、磁場強(qiáng)弱B、導(dǎo)線長短L，其中導(dǎo)線與磁場方向垂直），揭示出描述安培力的方向與電流方向、磁場方向之間關(guān)系的方法（左手定則）.

三、探究過程

1.探究安培力的大小與電流大小的關(guān)系

將兩個(gè)強(qiáng)磁體放置在導(dǎo)軌上，使其間的距離為10cm，使勻強(qiáng)磁場的強(qiáng)度一定.再將A、E兩個(gè)接線柱連入電路中，磁場中導(dǎo)線的長度保持14cm不變、直導(dǎo)線位于勻強(qiáng)磁場的中間，與強(qiáng)磁鐵平行.改變電源電壓，讀出與其相對(duì)應(yīng)的電流表和電子秤的示數(shù)。將表1中的數(shù)據(jù)畫成如圖7所示的安培力隨電流變化的函數(shù)圖像.由圖像可知：在保持磁感應(yīng)強(qiáng)度（1.66×10-2T）、導(dǎo)線的長度（14cm）不變時(shí)，垂直于磁場方向的通電直導(dǎo)線，受到安培力F的大小，與導(dǎo)線中的電流I成正比.

2.探究安培力的大小與導(dǎo)線長度的關(guān)系

在上述實(shí)驗(yàn)序號(hào)1的基礎(chǔ)上，分別改變相應(yīng)的接線柱，使A、D（12cm），B、D（10cm），C、D（8cm）分別先后接入電路，閉合電源開關(guān)，分別讀出電子秤的示數(shù)，并記錄在表2中.表2將表2中的數(shù)據(jù)畫成如圖8所示的安培力隨勻強(qiáng)磁場中導(dǎo)線長度變化的函數(shù)圖像.由圖像可知：在保持磁感應(yīng)強(qiáng)度（1.66×10-2T）、導(dǎo)線中的電流(1.46A)不變時(shí)，垂直于磁場方向的通電直導(dǎo)線，受到安培力F的大小，與導(dǎo)線的長度L成正比.

3.探究安培力的大小與磁場強(qiáng)弱的關(guān)系

在探究1實(shí)驗(yàn)序號(hào)1的基礎(chǔ)上，在導(dǎo)軌上移動(dòng)強(qiáng)磁體的位置，改變它們間的距離d，使其分別為8cm、6cm、5cm、4cm.閉合電源開關(guān)，分別讀出電子秤的示數(shù)，并換算成磁場的強(qiáng)弱B（B為磁感應(yīng)強(qiáng)度）。分析表中第2行和第3行的數(shù)據(jù)可知，兩個(gè)相同的強(qiáng)磁體組成的勻強(qiáng)磁場，其磁感應(yīng)的強(qiáng)度隨磁極間距離的減小而增大.再將表3中第3行和第4行的數(shù)據(jù)畫成如圖9所示的安培力隨磁場的強(qiáng)弱而變化的函數(shù)圖像.由圖像可知：在勻強(qiáng)磁場中，導(dǎo)線的長度（0.14m）、電流一定時(shí)（1.46A），垂直于磁場方向的通電直導(dǎo)線，受到安培力F的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比.

4.探究安培力的方向與電流方向、磁場方向之間的關(guān)系

分別改變電流方向（由“→”改變?yōu)?ldquo;←”）和磁場方向（由“×”改變?yōu)?ldquo;•”），查看電子秤示數(shù)的正負(fù)（“↓”為正，“↑”為負(fù)），并把三個(gè)方向分別記錄在表4中.分析表4中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知：安培力的方向與電流的方向、磁場的方向都有關(guān)，三者之間的方向關(guān)系可用左手定則來描述：伸開左手，使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直，且都跟手掌在同一個(gè)平面內(nèi)，讓磁感線直穿入手掌心，使四指指向電流方向，則大拇指所指的方向，就是安培力的方向，如圖10所示.再讓學(xué)生用左手定則逐一驗(yàn)證表4中實(shí)驗(yàn)序號(hào)1（或2、或3、或4）中三個(gè)方向之間的關(guān)系.

四、得出結(jié)論

綜上分析可得：通電直導(dǎo)線在磁場中受到安培力F的大小，與電流的大小I成正比，與導(dǎo)線的長度L成正比，與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比.由此可得計(jì)算安培力的公式F=ILBsinθ.其中的B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，它是描述磁場強(qiáng)弱和方向的一個(gè)物理量.其大小為B=F/IL，單位為特斯拉（T），簡稱特.表3中的B1=1.66×10-2T、B3=1.76×10-2T、B4=1.91×10-2T、B5=2.01×10-2T、B2=2.14×10-2T，都是利用公式B=F/IL，將I=1.46A、L=0.14cm和F1=0.34N、F2=0.36N、F3=0.39N、F4=0.41N、F5=0.44N等數(shù)據(jù)分別代入計(jì)算而得的.

五、教學(xué)探討

對(duì)于探究影響安培力大小因素實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，若采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，教師會(huì)直接根據(jù)教材的安排，通過演示實(shí)驗(yàn)后，讓學(xué)生直接閱讀“分析了很多實(shí)驗(yàn)事實(shí)后人們認(rèn)識(shí)到，通電導(dǎo)線與磁場方向垂直時(shí)，它受力的大小，既與導(dǎo)線的長度L成正比，又與導(dǎo)線中的電流I成正比，即與IL成正比，用公式表示為F=BIL”.這樣的教學(xué)，表面上學(xué)生也經(jīng)歷了探究，事實(shí)上學(xué)生的思維是禁錮的.這樣的教學(xué)顯然缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄窟^程，公式的得出顯得蒼白無力，這對(duì)教學(xué)條件比較好的重點(diǎn)中學(xué)的理科學(xué)生而言，是無法落實(shí)科學(xué)探究這一目標(biāo)的.本人認(rèn)為，在物理規(guī)律教學(xué)尤其是得出定量公式的教學(xué)之前，教師應(yīng)該認(rèn)真研究如何讓學(xué)生經(jīng)歷物理規(guī)律乃至公式的發(fā)現(xiàn)過程，就需要對(duì)教材進(jìn)行二次創(chuàng)造.以學(xué)生原有的認(rèn)知水平為思維起點(diǎn)，創(chuàng)設(shè)與規(guī)律或公式的真實(shí)發(fā)現(xiàn)過程相似的情境，變定性研究為定量探究，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理學(xué)家的發(fā)現(xiàn)過程，從而提升學(xué)生的思維能力，豐富學(xué)生的思維品質(zhì).

作者：方紅霞 單位：揚(yáng)州大學(xué)附屬中學(xué)