基于传感器自制安培力定量探究仪

摘要

基于传感器和单片机技术，自制一台安培力定量探究仪，用于精准探究安培力与电流、导线有效长度、磁感应强度及夹角之间的定量关系。该仪器操作简便、数据可靠，具有较高的教学应用价值，适合在中学物理课堂中推广使用。

Graphical abstract

关键词

传感器 / 安培力 / 磁感应强度 / 定量探究

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》在课程内容中明确要求：“通过实验，认识安培力。”^［1］然而，如何引导学生通过实验深入认识安培力，仍是当前教学中的难点之一。现行6套高中物理教材（2019年版）中配套的实验装置，普遍难以系统、定量地探究安培力与电流、直导线长度、磁感应强度及电流方向与磁场方向夹角之间的关系。尽管部分教师尝试自制实验装置开展定量探究^［2-4］，但通常需要组合多套设备，操作流程较为复杂。因此，开发一套能够精准、一体化定量探究安培力大小的实验装置，具有重要的教学意义与应用价值。

1 设计思路

如何便捷并精确地调节与测量安培力大小、电流大小、导线有效长度、磁感应强度及夹角，实现实验的定量探究？为开展安培力定量探究实验教学，可基于传感器与单片机技术设计相应的实验装置，其总体设计思路如下。

（1） 利用压力传感器采集安培力大小的数据。

（2） 将单股直导线改为多匝线圈，通过改变线圈匝数定量改变导线有效长度。

（3） 利用恒流恒压电源及电流传感器，精确控制与采集通过线圈的电流大小。

（4） 利用磁感应强度传感器采集通电导线（线圈）所在位置的磁感应强度。

（5） 通过调节两磁铁间的距离从而改变磁场的强弱。

（6） 把转盘与步进电机连接，利用步进电机可精确调节通电导线（线圈）中电流与磁场方向之间的夹角（以下简称“夹角”）。

2 装置制作及说明

2.1 制作材料

亚克力板、长螺丝、轴承、转盘、力传感器、力传感器处理模块、电流传感器、单片机、恒流恒压电源、步进电机、步进电机驱动板、磁感应强度传感器、强磁体、线圈、计算机、数据线、12 V直流电源、导线等。

2.2 制作说明

①用亚克力板和长螺丝搭好框架。②把步进电机固定在亚克力板上并与转盘连接，可控制转盘旋转的角度。③把螺杆固定在转盘上，并把强磁铁固定在螺杆上，利用螺杆旋钮可调节两磁铁间的距离。④绕制线圈，共有6匝，把线圈和磁感应强度传感器放置在两磁铁间。每匝线圈用导线与开关连接，通过开关的断开与闭合改变线圈匝数，从而改变导线在磁场中的有效长度。⑤把电流传感器、恒流恒压电源、线圈、导线、开关串联起来，组成闭合电路。通过恒流恒压电源的电流调节螺丝可以调节电流大小，并能利用电流传感器采集电流数据。⑥线圈通过支架与力传感器连接，力传感器处理模块通过力传感器读取线圈所受安培力的大小。⑦以单片机为核心器件，各处理模块与单片机连接，利用Visual Basic（VB）程序设计语言编写软件，电脑通过单片机读取和处理传感器获得的数据，从而制成安培力定量探究仪。

2.3 实验装置

实验装置实物如图1所示。

3 实验教学过程

3.1 实验一：探究安培力F与电流I的关系

（1） 实验步骤。

①接通电源，将USB接口连接到电脑上，点击连接传感器，调零；②把两磁铁间的距离调到适当值，夹角调为90°（B\perpI），线圈匝数设为1匝，并保持不变；③旋转恒流恒压电源上的电流调节螺丝，把线圈中的电流调到适当值（0.50 A左右）；④点击电脑软件“读取数据1”，采集数据，记录电流I和力传感器示数值F；⑤依次调节线圈中的电流大小，并点击读取数据，采集不同电流I和力传感器示数值F；⑥断开电源。

（2） 实验数据。

实验数据如表1所示。

（3） 分析数据，得出结论。

作出F-I图像如图2所示。实验结论：其他条件不变，安培力F与通电电流I成正比。

3.2 实验二：探究安培力F与有效长度L的关系

（1） 实验步骤。

①接通电源，将USB接口连接到电脑上，点击连接传感器，调零；②把两磁铁间距离及线圈中电流调到适当值，夹角调为90°（B\perpI），并保持不变；③通过仪器上的开关连接按钮把接入线圈的匝数设为“1”，点击电脑软件“读取数据1”，采集数据，记录有效长度L和力传感器示数值F；④通过仪器上的开关连接按钮依次改变接入线圈的匝数，从而改变通电导线的有效长度L，点击读取数据，采集不同有效长度L和力传感器示数值F；⑤断开电源。

（2） 实验数据。

实验数据如表2所示。

（3） 分析数据，得出结论。

作出F-L图像如图3所示。实验结论：其他条件不变，安培力F与通电直导线有效长度L成正比。

3.3 实验三：探究安培力F与磁感应强度B的关系

（1） 实验步骤。

①接通电源，将USB接口连接到电脑上，点击连接传感器，调零；②把线圈匝数及通过线圈中的电流调到适当值，夹角调为90°（B\perpI），并保持不变；③调节旋转螺杆旋钮改变两磁铁间距离，点击电脑软件“读取数据1”，采集数据，记录磁感应强度B和力传感器示数值F；④依次调节旋转螺杆旋钮改变两磁铁间距离，点击读取数据采集不同磁感应强度B和力传感器示数值F；⑤断开电源。

（2） 实验数据。

实验数据如表3所示。

（3） 分析数据，得出结论。

作出F-B图像如图4所示。实验结论：其他条件不变，安培力F与磁感应强度B成正比。

3.4 实验四：探究安培力F与夹角θ的关系

（1） 实验步骤。

①接通电源，将USB接口连接到电脑上，点击连接传感器，调零；②把两磁铁间距离、线圈匝数及线圈中的电流调到适当值，并保持不变；③通过步进电机控制磁铁旋转的角度，使夹角θ为30°，点击电脑软件“读取数据1”，采集数据，记录夹角θ和力传感器示数值F；④依次通过步进电机控制磁铁旋转不同的角度，点击读取数据，采集不同夹角θ和力传感器示数值F；⑤断开电源，整理器材。

（2） 实验数据。

实验数据如表4所示。

（3） 分析数据，得出结论。

作出F-θ图像和F-sinθ图像，其中F-sinθ图像如图5所示。实验结论：其他条件不变，安培力F的大小与电流和磁场方向之间夹角的正弦值成正比。

4 结语

基于传感器自制安培力定量探究仪，能够全面、精确、定量地探究安培力与电流、导线有效长度、磁感应强度及夹角的关系，集成度高，操作简单便捷，实验效果明显，为学生的实验探究提供了可行、有效的条件，提升了学生的物理学科核心素养。

参考文献

[1] 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．

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

[3] 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.

[4] 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.

基金资助

2022年广东省湛江市中小学教育科学“十四五”规划课题“基于大概念的高中物理单元学习路径设计探讨”(2022ZJYB001)

2022年广东省湛江市中小学教育科学“十四五”规划课题“核心素养下高中物理关键能力的培养策略探究”(2022ZJZD020)