用朗威DISLab定量探究安培力实验

用朗威 DISLab 定量探究安培力实验

付光林 沈光先 *

贵州师范大学 物理与电子科学学院 贵州 贵阳 550025

摘要：物理的学习离不开实验，物理实验的成功与否会直接影响到学生对物理规律以及物理概念的理解，本文主要介绍将朗威DISLab应用于人教版新教材普通高中物理必修３中，定量探究影响通电导线受力影响的因素。使学生更加理解安培力大小与哪些因素有关。

关键词：朗威DISLab、定量探究、安培力

一、实验背景

安培力的公式是高中物理中的一个重要规律。在人教版新教材普通高中物理必修3中，教科书用如图一所示的实验装置，来探究影响通电导线受力的因素，当有电流通过时，导线将摆动一定角度，用过摆动角度的大小可以比较导线受力的大小。电流的大小可以由外部电路控制，用电流表测量。分别接通“2、 3”和“1、 4”可以改变导线通电部分的长度。教科书中这种实验做法定性探究安培力的大小与电流大小以及通电导线长度的关系，无法改变磁场与通电并且导线的夹角，为了使得实验从定性过渡到定量，更符合学生的认知规律，在教学过程中，可以利用朗威DISLab系统、传感器、来精确定量探究安培力大小。

图一 教科书实验图

二、朗威DISLab数字化信息系统介绍

朗威数字化信息系统实验室以传感器测量为基础，以计算机分析为主干，支持基础教育阶段各学科、各学段课堂教学、实验室实验、户外探究、野外观察，同时支持师范类高校实验教学的多平台数字化科学教育工具体系。

三、实验过程

1.实验目的

定量探究安培力大小的影响因素

2.实验器材

朗威微力传感器、电流传感器、安培力实验器、多功能学生电源、滑动变阻器、导线若干、电脑一台。

3.实验装置如图二所示

图二 实验装置图

4.实验步骤与数据处理

（1）根据实验装置图安装实验器材

（2）将滑动变阻器、多功能学生电源、安培力实验器、线圈、电流传感器组成串联电路，并对两传感器调零

（3）打开通用软件，点击“计算表格”；调动滑动变阻器的阻值，改变电路中的电流值的大小，记录电流与安培力的数据如表一所示。

表一 电流与安培力数据（100匝）

（4）根据数据绘制安培力随电流变化的图线如图三所示

图三 安培力随电流变化图像（100匝）

由图三观察可得，数据点的排列具有线性特征，可以在软件中选取“线性拟合”可以看到拟合的直线与各数据点基本重合并且过坐标原点，即可证明安培力与电流成正比关系。

（5）改变线圈匝数，将一开始的一百匝改为两百匝，重复上述实验步骤，记录电流与安培力的数据如表二所示。

表二 电流与安培力数据（200匝）

根据数据绘制安培力随电流变化的图线如图四所示

图四 安培力随电流变化图像（200匝）

得到实验数据后描绘出图形过后，与前面实验结果进行比较，发现两条直线的斜率是两倍关系，因为两次所用线圈的匝数是两倍关系，证明安培力与导线长度成正比关系。

（6）设置变量a为电流磁场夹角，保持电流及导线的长度不变，改变电流方向与磁场方向的夹角a，记录多组数据，根据数据绘制安培力与磁场夹角图像如图五所示。

图五 安培力随角度的变化

对所描绘的点进行正弦拟合，可以看出拟合曲线与点基本吻合，说明安培力与磁场方向的夹角a为正弦关系。

四、实验结论

本实验可以通过精确地测量可以得到安培力大小的关系式F=BILsina。由于采用传感器采集数据完成，通过多组实验数据可以看出:本实验相对误差非常小，能够精准地达到实验目标的要求，本实验也可以使得安培力实验从定性过渡到定量，更符合学生的认知的规律，大大提升了安培力实验的课堂教学效率，有利于促进学生物理学科核心素养的达成。

五、结语

物理是以一门实验为基础的学科，在实际的物理教学中，对于一些抽象的物理概念和重要的物理规律，传统的实验手段往往只能进行定性的探讨，将朗威DISLab数字化实验引入课堂可以精确快速的处理实验数据，减小不必要的误差，从而为一些抽象的物理概念以及规律提供的实验方法。同时让学生在课堂上体会到科学发现与探究的无穷乐趣，实现了理论与实验的完美结合，从而可以激发学生学习兴趣，培养学生科学思维，提升学生科学素养。

参考文献：

[1]戴颖昱,殷位海.利用传感器定量探究安培力实验的创新设计[J].物理教师,2021,42(04):53-55.

[2]滕睿.探究安培力影响因素实验的改进设计[J].实验教学与仪器,2021,38(06):25-26.

[3]人民教育出版社,课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书必修三[M].北京:人民教育出版社,2019.

*通讯作者：沈光先，女，贵州师范大学物理与电子科学学院教授，研究方向：原子分子碰撞，学科教学。

作者简介：付光林（1997-），男，贵州遵义，研究生。