5.1安培力 说课设计-2023-2024学年高二下学期物理沪科版（2020）选择性必修第二册

《安培力》说课文稿 一、使用教材 上海科学技术出版社《普通高中教科书 物理（选择性必修）》第二册第五章《磁场》第一节《安培力》，为高二物理教学内容。 二、实验器材 磁铁、恒流电源、线圈（匝数可选）、可声控电磁继电器、力传感器、Arduino UNO、带有刻度的转盘、导线若干 三、实验改进要点 （一）改进实验器材 （1）使用细软导线 图1 图2 图3 课本器材（图1）所用连接线圈的导线很粗，微小的形变能产生很大的弹力，会影响安培力的测量。 线圈在不通电时受到重力和拉力，传感器指示拉力大小，将传感器调零，重力被平衡掉。接通电源后，通常认为传感器的示数等于安培力大小。其实，线圈连着导线（图2），还受到导线的弹力作用，传感器的示数不仅与安培力有关，还与导线的弹力有关，这一点很容易被忽视！。如果测量装置受到外界干扰，导致导线产生微小形变，就可能产生与安培力相当的弹力，这时候用传感器示数代替安培力就会产生很大误差。另外，因为是微小形变，我们很难觉察到这一点。 用细软导线连接线圈（图3），而没有集成一束，使导线“劲度系数”很小，即使外界使导线变形，产生的弹力也非常小，使力传感器示数更接近安培力大小，提高数据准确性。 （2）增强线圈稳定性 常见的拉力传感器接口是弯钩造型，与线圈只能是一个点连接，如果悬点不在线圈中心轴上，线圈可能左右摇摆（图4）。如果安培力向上，除了左右摇摆外，还可能向前或向后扭转，甚至倒伏在磁铁上，导致实验无法进行。 图4 图5 教材中线圈提供两组匝数，为了提高准确性，自己绕制有六个抽头的线圈，每50匝抽出一根线头，示意图如图6，实物图如图7。绕制线圈的漆包线直径为0.3mm，可以通过较大电流，保证实验装置的安全性。 图6 图7 测力的主要原件是应变片传感器（图8），选择应变片测量精度为0.001N，能测出安培力的微小变化，可以分辨出磁场与电流方向夹角改变15°时安培力的变化，为定量探究安培力与夹角的关系提供精度保证。力传感器产生的电压很小，使用HX711 AD模块（图9）将电压放大，Arduino（图9 ）读取放大后的电压并转换为力的数值，通过串口输入到电脑上，利用Processing软件读取数值并显示（图10）。 图8 图9 图10 应变片与亚克力平板用螺丝固定，将线圈缠绕在塑料骨架上，然后将塑料骨架与亚克力平板用热熔胶粘在一起（图11），使测力装置与线圈高度耦合，稳定连接。同时，应变片可以改变接口以适应不同的场景，提高器材开放性。 图11 （二）简化实验操作 （1）使用恒流电源 本实验需要改变电流值，课本是通过移动滑动变阻器来实现，但是移动滑片很难调到预期电流。实验室很难找到合适滑动变阻器，最大阻值往往过大或者过小，同时滑动变阻器容易接触不良，影响电路稳定性。滑动变阻器构成限流式控制电路，这是非线性控制系统，要调到所需电流往往需要很长时间，甚至根本调不到。特别当线圈匝数少时电阻很小，更是难以调到所需电流。 探究安培力与电流大小关系时固然要调节电流，在探究安培力与长度关系时，接入不同长度导线，因为电阻会改变，电流也会改变，必须调节电流才能控制电流不变。调节电流会耗费大量课堂时间，当老师在调节电流时，学生无事可做容易游离课堂，破坏课堂连续性，降低课堂流畅度，使教学效率和教学效果大打折扣。 为此，用恒流源（图12）代替学生电源、电流传感器和滑动变阻器，主干电路得到简化，同时电路稳定性也有提升。恒定电流源有粗调和微调两个旋钮，方便调节电流到所需电流值。改变线圈匝数时，恒流电源能保持电流大小不变，无需反复调节。恒流电源还自带显示器能够显示电流，无需电流传感器； 图12 （2）引入声控继电器 课本通过接入不同抽头来改变导线长度，在断开和重新连接过程，会有力作用于实验装置，可能使导线中弹力变化，进而影响测量结果。 本实验引入声控模块，用语音控制电磁继电器（如图13，左侧为实物图，右侧为示意图），实现快速切换不同线圈，提高课堂效率。上文已经阐述线圈受力对外界很敏感，用语音控制电路，省去手动操作对装置的影响。用细软导线可以减少干扰传播到线圈，用声控可以从源头减少干扰。声控已经融入我们生活，引入声控模块合乎时代要求，提高学生学习兴趣和信息素养。 图13 （三）深化规律研究 教材（图14）得到安培力规律为F=BIL，没有涉及安培力与磁场和电流夹角的关系。 图14 为了深化规律研究，