一、設計思路

1.如何測量安培力的大小？

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

2.怎樣改變電流的大小？

利用如圖3所示的學生電源，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.同時采用功率為10W、阻值為5Ω的繞線電阻R來保護電路.

3.怎樣改變導線的長度？

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

4.怎樣改變磁場的強弱？

用圖5所示的兩個長15cm、高1cm、厚1cm的釹鐵硼強磁鐵代替蹄形磁鐵，增強勻強磁場的寬度，達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軌上.利用磁體的吸鐵性使其與導軌固定，利用刻度線確定強磁鐵之間的距離，移動強磁體在導軌上的位置來改變磁體間的距離d.

5.怎樣描述力、電流、磁場三者方向的關系？

用箭頭直觀地描述電流方向（向左“←”或向右“→”）和磁場方向（進去“×”或出來“•”），用電子秤顯示數的正負描述安培力的方向（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

根據上述設計思路，制作安培力探究儀，并將其與高中學生電源、電流表、保護電阻按圖1所示電路圖連成電路，其實物照片如圖6所示.用它可以非常方便地定量探究影響安培力F大小的三個因素（電流大小I、磁場強弱B、導線長短L，其中導線與磁場方向垂直），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系

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

2.探究安培力的大小與導線長度的關系

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

3.探究安培力的大小與磁場強弱的關系

在探究1實驗序號1的基礎上，在導軌上移動強磁體的位置，改變它們間的距離d，使其分別為8cm、6cm、5cm、4cm.閉合電源開關，分別讀出電子秤的示數，并換算成磁場的強弱B（B為磁感應強度）。分析表中第2行和第3行的數據可知，兩個相同的強磁體組成的勻強磁場，其磁感應的強度隨磁極間距離的減小而增大.再將表3中第3行和第4行的數據畫成如圖9所示的安培力隨磁場的強弱而變化的函數圖像.由圖像可知：在勻強磁場中，導線的長度（0.14m）、電流一定時（1.46A），垂直于磁場方向的通電直導線，受到安培力F的大小與磁感應強度B成正比.

4.探究安培力的方向與電流方向、磁場方向之間的關系

分別改變電流方向（由“→”改變為“←”）和磁場方向（由“×”改變為“•”），查看電子秤示數的正負（“↓”為正，“↑”為負），并把三個方向分別記錄在表4中.分析表4中的實驗現象可知：安培力的方向與電流的方向、磁場的方向都有關，三者之間的方向關系可用左手定則來描述：伸開左手，使大拇指跟其余四個手指垂直，且都跟手掌在同一個平面內，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.再讓學生用左手定則逐一驗證表4中實驗序號1（或2、或3、或4）中三個方向之間的關系.

四、得出結論

綜上分析可得：通電直導線在磁場中受到安培力F的大小，與電流的大小I成正比，與導線的長度L成正比，與磁感應強度B成正比.由此可得計算安培力的公式F=ILBsinθ.其中的B為磁感應強度，它是描述磁場強弱和方向的一個物理量.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等數據分別代入計算而得的.

五、教學探討

對于探究影響安培力大小因素實驗的教學，若采用傳統的教學方法，教師會直接根據教材的安排，通過演示實驗后，讓學生直接閱讀“分析了很多實驗事實后人們認識到，通電導線與磁場方向垂直時，它受力的大小，既與導線的長度L成正比，又與導線中的電流I成正比，即與IL成正比，用公式表示為F=BIL”.這樣的教學，表面上學生也經歷了探究，事實上學生的思維是禁錮的.這樣的教學顯然缺乏嚴謹的探究過程，公式的得出顯得蒼白無力，這對教學條件比較好的重點中學的理科學生而言，是無法落實科學探究這一目標的.本人認為，在物理規律教學尤其是得出定量公式的教學之前，教師應該認真研究如何讓學生經歷物理規律乃至公式的發現過程，就需要對教材進行二次創造.以學生原有的認知水平為思維起點，創設與規律或公式的真實發現過程相似的情境，變定性研究為定量探究，引導學生經歷物理學家的發現過程，從而提升學生的思維能力，豐富學生的思維品質.

作者：方紅霞 單位：揚州大學附屬中學