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中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2020）-188
一、使用教材
人教版高中《物理》选修3-1第三章磁场第4节。
二、实验器材
如图1（a）所示，自制安培力大小定量研究装置由磁铁、磁铁支架、导轨、电子秤、角度盘、3个150匝8*18cm线圈（每个线圈在磁场中有效长度为12m）、线圈支架、线圈电流控制电路构成。其中线圈电流控制电路由电池、可变电阻、数显电流表、开关、导线组成，放置于白色容器内。其电路的内部构造和电路图如图1（b，c）所示，通过开关1和开关2的闭合，可控制接入电路的线圈个数。
图1（a）自制安培力大小的定量研究装置（b）线圈电流控制電路构造（c）电路图
实验创新要点/改进要点
人教版教材中对于安培力大小的研究只给出了一个定性实验，而在这个定性实验之后直接给出了定量的结论，即通电导线与磁场方向垂直时F=BIL。定量实验与定性结论之间的认知差距，为同学们留下了进一步思考和探究的空间。另外对于导线与磁场方向不垂直的情况，教材并未进行深入讨论。基于上述原因，笔者对传统安培力大小探究实验装置进行了优化和完善，制作了安培力大小定量研究装置，其主要创新和改进要点如下：
[HTK]（1）优化并整合外部线圈电流控制电路，避免了外部悬放导线对实验测量的影响
在传统安培力研究实验中，线圈电流通过外部电路进行控制，其需用导线进行连接，而处于悬空状态下的导线易对电子秤的示数造成影响，降低了测量的稳定性和准确性。例如，在无外加磁场情况下转动线圈，电子秤的示数会出现明显变化，导致每次实验前都需要对仪器读数进行归零，增加实验操作的难度。另外在调节外部电路过程中，不小心晃动电路导线，也会导致不准确的测量结果。本实验将外部控制电路与线圈整合为一体，并将其放置于电子秤之上，有效避免了调节外部电路、转动线圈等实验操作对安培力测量的影响。
[HTK]（2）采取多匝漆包线和电子秤的组合，实现微小力的放大与测量
通常，高中物理实验室中蹄形磁铁或条形磁铁周围磁场强度在0.01～0.5T之间，通电导线长度一般为10～20cm左右，考虑到导线所能承受的电流不宜过高，通电导线在磁场中受到的安培力大约在10-3～10-2N量级，传统实验使用的弹簧测力计或传感器难以准确测量其大小。本实验中利用直径0.4mm的漆包线自制了3个150匝8*18cm的线圈替代单根导线，增大通电导线在磁场中的长度，从而增大安培力。同时，采用精度为0.01g的电子秤代替弹簧秤，通过换算可知，其力的测量精度可达10-4N，可实现对安培力的高精度测量。
[HTK]（3）将定性分析实验改为定量研究实验，全面简便地实现了对所有变量的定量研究
影响安培力大小的因素较多，包括磁感应强度B，电流I，导线长度L以及电流与磁场夹角θ。在传统安培力研究实验中，少有实验装置能简便实现所有变量的定量研究。本实验中，通过顶端的导轨，可改变两磁极之间磁场的磁感应强度B，其数值可利用传感器进行标定;调节可变电阻，可改变通过线圈的电流I，其数值可由电流表读出;转动电子秤上的转盘，可实现电流与磁场夹角θ的调节，其角度值可通过角度盘读出;通过两个控制开关的通断，可调节三个并联线圈的接入个数，实现导线长度L的调节。因此该实验装置能简单方便地实现对所有变量的定量研究。
[HTK]（4）实验装置一体化，便于携带，随取随用
制作实验装置所使用的均为学生熟悉的常见器材，且该装置操作简单，利于学生自主探究，促进学生学习兴趣的提高、基本物理观念的建立以及核心素养的培养。本装置对各个部分进行有效地整合，实现了一体式测量，且整个装置不需要连接外部电源，便于携带和移动，教师上课之前拿到教室，开机即可使用。
一、使用教材
人教版高中《物理》选修3-1第三章磁场第4节。
二、实验器材
如图1（a）所示，自制安培力大小定量研究装置由磁铁、磁铁支架、导轨、电子秤、角度盘、3个150匝8*18cm线圈（每个线圈在磁场中有效长度为12m）、线圈支架、线圈电流控制电路构成。其中线圈电流控制电路由电池、可变电阻、数显电流表、开关、导线组成，放置于白色容器内。其电路的内部构造和电路图如图1（b，c）所示，通过开关1和开关2的闭合，可控制接入电路的线圈个数。
图1（a）自制安培力大小的定量研究装置（b）线圈电流控制電路构造（c）电路图
实验创新要点/改进要点
人教版教材中对于安培力大小的研究只给出了一个定性实验，而在这个定性实验之后直接给出了定量的结论，即通电导线与磁场方向垂直时F=BIL。定量实验与定性结论之间的认知差距，为同学们留下了进一步思考和探究的空间。另外对于导线与磁场方向不垂直的情况，教材并未进行深入讨论。基于上述原因，笔者对传统安培力大小探究实验装置进行了优化和完善，制作了安培力大小定量研究装置，其主要创新和改进要点如下：
[HTK]（1）优化并整合外部线圈电流控制电路，避免了外部悬放导线对实验测量的影响
在传统安培力研究实验中，线圈电流通过外部电路进行控制，其需用导线进行连接，而处于悬空状态下的导线易对电子秤的示数造成影响，降低了测量的稳定性和准确性。例如，在无外加磁场情况下转动线圈，电子秤的示数会出现明显变化，导致每次实验前都需要对仪器读数进行归零，增加实验操作的难度。另外在调节外部电路过程中，不小心晃动电路导线，也会导致不准确的测量结果。本实验将外部控制电路与线圈整合为一体，并将其放置于电子秤之上，有效避免了调节外部电路、转动线圈等实验操作对安培力测量的影响。
[HTK]（2）采取多匝漆包线和电子秤的组合，实现微小力的放大与测量
通常，高中物理实验室中蹄形磁铁或条形磁铁周围磁场强度在0.01～0.5T之间，通电导线长度一般为10～20cm左右，考虑到导线所能承受的电流不宜过高，通电导线在磁场中受到的安培力大约在10-3～10-2N量级，传统实验使用的弹簧测力计或传感器难以准确测量其大小。本实验中利用直径0.4mm的漆包线自制了3个150匝8*18cm的线圈替代单根导线，增大通电导线在磁场中的长度，从而增大安培力。同时，采用精度为0.01g的电子秤代替弹簧秤，通过换算可知，其力的测量精度可达10-4N，可实现对安培力的高精度测量。
[HTK]（3）将定性分析实验改为定量研究实验，全面简便地实现了对所有变量的定量研究
影响安培力大小的因素较多，包括磁感应强度B，电流I，导线长度L以及电流与磁场夹角θ。在传统安培力研究实验中，少有实验装置能简便实现所有变量的定量研究。本实验中，通过顶端的导轨，可改变两磁极之间磁场的磁感应强度B，其数值可利用传感器进行标定;调节可变电阻，可改变通过线圈的电流I，其数值可由电流表读出;转动电子秤上的转盘，可实现电流与磁场夹角θ的调节，其角度值可通过角度盘读出;通过两个控制开关的通断，可调节三个并联线圈的接入个数，实现导线长度L的调节。因此该实验装置能简单方便地实现对所有变量的定量研究。
[HTK]（4）实验装置一体化，便于携带，随取随用
制作实验装置所使用的均为学生熟悉的常见器材，且该装置操作简单，利于学生自主探究，促进学生学习兴趣的提高、基本物理观念的建立以及核心素养的培养。本装置对各个部分进行有效地整合，实现了一体式测量，且整个装置不需要连接外部电源，便于携带和移动，教师上课之前拿到教室，开机即可使用。