基于传感器和Python编程自制安培力定量探究仪

摘要

在高中物理教学中，安培力大小计算公式的得出是个难点，该公式的理论推导过程对学生来说过于抽象。历年来的高中物理教材所选用的安培力演示仪仅是半定量的，无法探究安培力大小与磁感应强度的定量关系。此外，利用教材所选用的安培力演示仪开展实验操作烦琐，不仅课堂演示不方便，安培力大小的数据读取也不直观，容易造成一定的误差。自制安培力定量探究仪，通过使用电子秤、线性霍尔元件、多匝导线框等零部件，以及利用Python编程辅助数据处理，实现了安培力的定量探究。

Graphical abstract

关键词

安培力 / Python编程 / 传感器 / 磁感应强度 / 线性霍尔元件 / 定量

“探究安培力的大小”是教科版高中物理教材选择性必修第二册第一章第1节的内容。教材中的装置结构简单，操作起来十分便利，但也有一些不足：一是安培力的大小虽然可以通过力矩的关系算出来，但是很麻烦，课堂演示不方便；二是在探究安培力大小与导线长度的关系时，每做一次实验都要换线圈，操作烦琐；三是该装置无法直接探究安培力大小与磁感应强度的定量关系。笔者采用电子秤测安培力比教材装置更加快速准确，且读数方便；通过接不同接线柱来改变线圈匝数，从而改变磁场中的导线长度，比教材中通过换线圈来改变磁场中的导线长度更方便；用线性霍尔元件测磁感应强度，并用Python编程辅助数据处理，从而能够定量探究安培力与磁感应强度的关系^［1］。

1 实验装置

实验装置如图1所示。

2 实验装置制作过程

（1） 在网上购买检测磁场的线性霍尔元件，该元件供电电压5～12 V，没有磁铁时输出值为供电电压的一半，因此，用4节1.5 V的干电池构成的电池组给该元件供电。有磁场后磁场会导致该元件输出电压发生改变，输出电压变化量就可以表征磁感应强度。由于电压输出值变化较小，用四位半电子数显表就可以较为精确地测量输出电压值。输出电压变化值与磁感应强度的换算公式为15 V=1 T，因为换算较为烦琐，所以用Python编程辅助数据处理^［2］。

（2） 利用木板制作底座，预留出放磁铁、电子秤、导线框、接线柱的位置。

（3） 利用木板、502胶水、木条制作导线框，导线框有3个槽，每个槽都绕制200匝导线。再把导线接在仪器顶部的接线柱上（红色接线柱为公共端，黑色分别为200匝、400匝、600匝接线柱）。

（4） 在网上购买150 mm×100 mm×25 mm的磁铁2块。

（5） 在网上购买量程为10 kg的小型家用厨房电子秤。

（6） 为保证实验安全，用学生电源给导线框供电，并将电流表与导线框串联，测量导线框上的电流。

3 实验演示过程及数据分析

采取控制变量法定量探究安培力大小与电流大小、导线长度、磁感应强度的关系。因为电子秤测出的安培力显示的是质量，且安培力很小，所以为了实验操作简便，将安培力大小用单位mN（毫牛）来表示，即电子秤示数为1 g时，就表示安培力为10 mN。

3.1 探究F与I的关系

保持线圈匝数200匝（导线长度）不变，保持磁铁位置（磁感应强度）不变，改变电流大小，分别为：0、0.3 A、0.6 A、0.9 A，记录下实验测出的安培力大小（表1）并绘制出图象（图2）。可以得出：在保持导线长度和磁感应强度不变时，F与I成正比^［3］。

3.2 探究F与L的关系

保持磁铁位置（磁感应强度）不变，保持电流大小0.4 A不变，改变导线长度，分别为：0、200匝、400匝、600匝，记录下实验测出的安培力大小（表2）并绘制出图象（图3）。可以得出结论：在保持磁感应强度和电流不变时，F与L成正比。

3.3 探究F与B的关系

保持电流大小0.4 A不变，保持线圈匝数（导线长度）600匝不变，改变磁铁位置（即改变磁感应强度），记录下实验测出的安培力大小（表3）并绘制出图象（图4）。可以得出结论：在保持导线长度和电流不变时，F与B成正比。

4 结语

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》^［4］在基本理念中提出：高中物理课程通过创设学生乐于探究、善于实验的学习情境，利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质。本自制实验教具使用了电子秤、线性霍尔元件，并用Python编程辅助数据处理^［5］。该教具质量稳定可靠，数据直观，操作简便，可以直接精准地探究安培力大小与电流大小、导线长度、磁感应强度的定量关系，有利于提升学生的学习兴趣，帮助学生理解安培力的本质，突破安培力大小计算的难点；有利于培养学生严谨的科学态度，以及质疑和批判的能力，有效提升学生的物理学科核心素养。

参考文献

[1] 王进，沈明.自制安培力定量探究仪［J］.物理通报，2023（02）：103-106.

[2] 徐发林，李莉，邱华.一种用传感器定量探究安培力大小影响因素的实验装置［J］.物理教学，2021，43（10）：30-32，36.

[3] 苟丽娟，唐林，宋培文.自制实验教具定量探究安培力大小［J］.物理教师，2021，42（02）：62-64.

[4] 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[5] 刘玉树，陈剑峰.基于DIS传感器自制安培力定量探究仪［J］.物理教学，2022，44（01）：25-28.