邓放明老师自制“磁场中不同点的磁感应强度”演示探究仪
发布：物理教研组 来源：物理教研组 日期：2017-06-01 人气：
这是一台全新自制教学仪器，能演示测量磁体对通电导的磁感应强度的规律，对我们认识磁场分布图中各磁场强弱实际的理解。该实验仪是利用电流元放大的特点，制作螺线形线圈，由于螺线管形在非均匀磁场中，线圈上各电流元所在处的磁感应强度不同，受力不同，其合力矩不为零，合力也就不为零，因此载流线圈在非均匀场中除了转动外还有平动，但是当转动到与磁矩与磁场方向一致时合力矩为零，但合力不会为零，而且指向磁场方向的反方向，因此就是利用相互作用，作用力的方向磁场的反方向，其表现就是异性相吸的原理，制作的<磁场中不同点的磁感应强度>教学演示探究仪用来测量非均匀磁场强度。名称解释
1.磁体:嵌入式圆柱形体磁体，外层用塑料层保护磁体。
2.受力左右调节器:用于调节L形状活动滑块使电流元受力体可在磁场中左右移动。
3.电流传感器: 是用来测量磁体用的电流元探测器中的电流变化。
4.电源: 采用6节1.5伏干电池作为直流9v电源。也可以用9v开关直流电源。
5.数据采集器:用于将采集到的数据传入到计算机。
6.电流调节滑动变阻器: 是通过滑动改变电阻大小来限制电流大小的作用。线圈导线:采用两根长度基本一致的铜线绕成环形线圈，用于实验中改变导线长度。
7.力传感器:用于直接测量通电导线在磁场中的受力情况。
8.实验平台:用于支承各个部件构成一台实验装置。
9.电流源探测器:用于探测圆柱体磁场中的磁场不同点的磁场强弱变化。
10.支架主体:是整台器材的联结主体，使圆柱体磁体与电流元探测器相互作用力之间支承架。
11.上下调节器:通过旋转旋钮可使电流元上下移动，改变与磁体之间的距离。
实验工作原理:
如图，这是一个很理想的实验测量装置图。磁感应强度这个知识点的教学，一直以来没有理想的实验器材，主要是孤立的电流元是不存在的，而用较短的导线视为电流元来做实验，其所受的力太小不易测出。在此，我们把电流元换成较小的通电线圈，通过线圈来放大电流元的所受作用力。磁体采用薄圆柱形超强磁体，通电线圈放置在其正下方且与其平行，线圈在通电的情况下可产生稳定的磁场，这样通电线圈产生的磁场与磁体产生的磁场就会产生相互吸引或相互排斥力，这个力F用传感器可以测量出来。通过增减线圈的匝数来改变L的长短，通过调节滑动变压器来改变电流I的大小。通过移动磁体来检验在不同位置磁场B的作用。实验中采用控制变量法来测量多组I、L、F，通过比较F/IL的比值关系，来引出磁感应强度B的概念。
磁体采用圆柱薄形超强磁体，磁体磁场磁力线N磁极中心最强且向下，由于环形线圈与磁力线为垂直的导线，线圈在通电的情况下可产生稳定的磁场，两个磁场之间就会产生相互吸引或相互排斥力，这个力用力传感器测出来实现。
在这里只能把线圈看作是一个受力体，通电线圈在磁场中会受到磁力的作用，也可以定性的分析线圈的受力情况。
当电流I线圈长度为L时测出力为F
当电流2I线圈长度为L时测出力为2F
当电流I线圈长度为2L时测出力为2F
当电流I或2I线圈为L或2L时可以测出磁体中不同位置的不同点（A、B、C）F力来。
操作步骤:
- 连接各器件，打开计算机及数据采集系统调整数据显示如下图所示:接通电路电源可直接在9v上，调节滑动变压器并调节线圈与磁体之间距离，得到有一定的受力显示。
2. 验证线圈L与2L的关系，首先断开电源将力传感器清零，第一步测量0—L线圈导线的受力并记录，第二步测量L—2L线圈导线的受力并记录，如上图所示:比较两个线圈导线受力情况，根据计算表格中数据说明两个线圈导线长度基本相等。
科教版教材中分析安培力实验有关数据，进行实验论证，在磁场中某一点（如B点），安培力与电流和导线乘积的比值是一个定值，与导线的长度、通过导线的电流无关；而在磁场中的不同点（A、B、C点），安培力与电流和导线长度乘积的比值不相等，与所在位置的磁场强弱有关，因此，我们可以用这个比值来描述磁场的性质，把它称为磁感应强度（magnetic induction），用符号B表示，写成公式是实验探究:
1.根据上图确定电流I与导线L不变，通过受力上下调节器上的旋扭上下移动距离，分别测量记录3F、F、0.5F所受的力，进行分析，（力也不一定要是倍数关系）。
分析数据: 电流保持不变，改变导线与磁体距离，在磁场中的不同点（1、2、3分别代表A、B、C）点的力就可说明力与电流和导线长度乘积的比值不相等，与所在位置磁场强弱有关。
2.在磁场中某一点（如B点）的导线所受的力实验，如下图数据得来，第一步;当电源连接在（0—2L）导线中电流在0.5A时显示0.19N的力，当然0.19的力，是电流I导线2L时测得的。第二步; 保持B点位置不变，当电源连在（0—L）导线中调节电流为2I数据显示力仍然不变。当然以上两个实验也可直接测量计算出磁场中某点的磁感应强度，在计算表格中输入变量，输入公式，就可以直接由数据采集器计算出磁感应强度。
基于中学课堂实验教学与教具研发第三部分继续稿
用自制教学仪器对磁感应强度进行教学
这是另一种磁感应强度演示仪，是在第一种基础上改进的创新实验仪，该实验仪特点采用2 cm长的线段，实际由100匝200匝即2m和4m线长组成，线圈的工艺制作采用Φ0.33mm的漆包线，两根并绕100匝，原后线圈首尾相连为中间抽头就行成了放大的电流源，磁体直径为30mm，并嵌入在Φ40mm塑料棒中，磁体的实际磁力线分布还是比较大，因此导线长度完全在磁场中, 通过对导线通电就能反应导线受到安培力。通过调节滑动变阻器阻组可改变导线电流的变化，受到安培力也随着变化。
仪器结构
1.导线
2.力传感器: 测量通电导体在磁场中受力大小。
3.旋转平台: 使导线与磁场形成0-90度旋转变化反应受力大小的变化规律。
4.左右或者前后滑动体: 通过滑动体可改变导线与磁长距离0-60mm的变动。
5.圆型滑动变阻器: 通过旋钮可改变电阻0-220
6.旋转平台座: 通过旋转平台座可方便使整台仪器与底座360度任意转动。
7.电流传感器: 测量通电导体的电流大小。
8.上下升降旋钮: 用来改变导线上下高度，改变距离范围50mm。
用自制创新磁场中不同点的磁感应强度进行<磁感应强度>教学设计
一、教材分析
1．普通高中物理课程标准要求：了解磁场，知道磁感应强度和磁通量。
2．本节内容在物理知识体系中的地位与作用
本节内容是人民教育出版社高中课程标准实验教科书物理选修3-1第三章第二节。在第一节中,学生对生活中常见的磁现象有了初步的了解;接受了磁场的概念:磁体或通电导线周围存在的客观物质;理解了磁场的基本性质:对放入磁场的其他磁体或通电导线产生磁场力的作用。本节内容为磁感应强度，磁感应强度是电磁学基本概念之一，是本章的重点。磁感应强度与许多日常生活现象中有关，教材将这节内容安排在磁现象和磁场之后，是学生对于磁现象知识能力的提升，让学生明白磁感应强度的方向和大小可以用磁体和通电导线在磁场中所受到的力来描述。学生要通过对本节的学习理解描述磁场强弱和方向的物理量（磁感应强度）是如何定义的，理解根据磁场对放入其中的磁体北极的作用力方向来规定磁感应强度的方向；根据磁场对放入其中的电流元的作用力大小来定义磁感应强度的大小。
3．教材内容与流程安排
教材的本节内容遵循“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课程理念。教材对于本节内容的设计流程是：
①.通过日常生活中的磁现象说明磁场有强弱之分、磁场的强弱表现为对磁性物质和通电导线作用力的强弱。
②.类比电场强度的定义引导学生通过分析磁体或通电导线在磁场中所受的力找出表示磁场强弱和方向的物理量。
③.用放入磁场的小磁针受到的磁场力来定义磁场方向：规定小磁针北极受力方向为磁感应强度的方向
④.实验探究放入磁场的电流元受到的磁场力的决定因素，得到：
F ∝ I , F ∝ L 即 F ∝ IL 写成F=BIL，其中B为比例系数
⑤.在不同的磁场中，或在非匀强磁场的不同位置，B值不同。B值就是表征磁场强弱的物理量—磁感应强度的大小：
4.教学重点难点分析
教学重点在磁感应强度方向和大小的定义及实验探究电流元在磁场中的受到的磁场力的决定因素
教学难点在理解“电流元”理想模型、为什么不用磁针受到的磁场力大小定义磁感应强度的大小、为什么不用电流元的受到的磁场力方向定义磁感应强度的方向
二、学生学情分析
1．认知层面
初中课本只简单的介绍了电生磁、磁生电的基本关系，并没有说明磁场的描述方法，学生在日常生活中对一些有关磁场强弱的现象只是有了感性的认识，没有理性分析，可能已经忘记用磁感应线粗略描述磁场强弱和方向的方法，在第一章，学生已经学习了描述电场强弱的物理量——电场强度，可以类比学习描述磁场的物理量。
2．能力层面
电磁学对于中学学生来说总体感觉太过于抽象，很多原理不能有直观的感受，本节内容磁感应强度概念抽象、理解困难，挑战学生抽象思维能力和理解能力。
三、教学设计与创新
1. 教学思路设计
磁场对磁极和电流的作用力（本质上是磁场对运动电荷的作用力）远比电场对电荷的作用力复杂，如何寻找描述磁场强弱的物理量是全章教学的难点，教材上用小磁针在磁场中受力方向定义磁感应强度的方向、用电流元在磁场中受力大小定义磁感应强度大小是符合中学生认知水平的。在教学中应重点思考和关注如何激发学生学习热情和求知欲望、怎样减低学生理解难度，把抽象的概念具体化。考虑设计引人入胜的引入小实验来激发学生学习兴趣，在概念的理解上类比电场强度的定义方法来突破难点，在磁感应强度大小的定义上通过精心设计的演示实验和学生分组实验来探究电流元在磁场中受力的决定因素。演示实验设计注重应用传感器提高实验精度，使实验操作快速准确，学生实验设计注重训练学生实验操作训练，和对实验方法的体会。引导学生分析实验结果，得到合理的实验结论。
2．创新实验设计
①引入实验
引人入胜、对比效果明显的引入实验会极大的激发学生学习热情，让学生认识到同一个磁场中的不同位置，磁性强弱不同的磁体激发的磁场中的同一位置，磁场强弱都不同，从而引入课题：寻找描述磁场强弱的物理量
②学生实验
旨在说明磁场对通电导线的作用力与电流大小成正比与导线长度成正比。我设计了一个匀强磁场，采用宽度较小的线圈代表电流元，利用多匝线圈放大安培力，通过改变匝数来改变导线长度，通过调节滑动变阻器来改变电流大小。学生实验中刻意没有使用朗威DISLab软件采集数据和分析数据，而是使用显示模块显示电流大小读数和安培力大小读数，主要是为了培养学生自行采集数据，自行设计表格记录数据，自行分析数据的能力。
③演示实验
磁感应强度这个知识点的教学，一直以来没有理想的定量实验器材，主要是孤立的电流元是不存在的，而用较短的导线视为电流元来做实验，其所受的力太小不易测出。我设计制作了这样的演示实验：采用宽度较小的通电线圈代表电流元，通过增加线圈匝数来放大电流元的所受作用力。磁体采用钕铁硼强磁铁片叠加，其磁场类似条形磁铁，通电线圈放置在其正前方，采用稳压电源，线圈在通以稳定电流后受到磁场的稳定作用力，把这个力F用微力传感器测量出来。通过增减线圈的匝数来改变L的长短，通过调节滑动变压器来改变电流I的大小。我们利用朗威DISLab软件采集数据和分析数据，实验操作简单便利，实验数据精准，实验效果很好。
3.预期效果
从生活小实验激发学生学习热情，引导学生进行知识迁移，用电场强度的定义方法作类比来引导学生寻找描述磁场强弱的物理量。鼓励学生观察思考，勤于提问，培养科学精神，以学生为本，通过交流讨论和实验探究的方式，使学生在做中学、学中玩，玩中思。有效攻破难点，突出重点，应能很好完成本堂课预定的三维教学目标。
一、教学三维目标：
1．知识与技能
⑴知道并理解磁感应强度的定义，知道其方向、大小、定义式和单位
⑵知道磁场的强弱与激发磁场的磁体和在磁场中的位置有关，与通电导线的长度、电流、和所受的力无关。
2．过程与方法
⑴体验科学探究的一般方法（观察、猜想、验证），寻找描述磁场强弱和方向的物理量---磁感应强度
⑵进一步体会通过比值定义法定义物理量的方法；
3．情感态度与价值观
⑴通过演示性探究实验，激发学生求知欲，经历探究过程，体会物理学研究的科学性；
⑵通过实验探究，让学生体会科学之美，体验合作的重要性。通过在实验中大量使用传感器，体会科技进步给实验带来的便利，体现科学理论与科学技术共同发展
二、重点、难点：
教学重点：1. 实验探究电流元在磁场中的受到的磁场力的决定因素
2. 磁感应强度方向和大小的定义
教学难点：1. 实验探究电流元在磁场中的受到的磁场力的决定因素
2. 理解“电流元”理想模型
三、教学用具
1．实验仪器：
自制《磁感应强度》演示探究仪1套（含：电流元探测器、力传感器、电流传感器、滑动变阻器、底座、磁体、电源、数据采集器等）。
学生分组实验安培力实验器Ⅱ4套（含微力传感器、电流传感器、数据采集器、滑动变阻器、学生电源、开关等）
自制引入实验仪器：磁铁手套、磁铁和大头针
2．多媒体：PPT，DISLab8.0软件、电脑。
四、教学过程
| 教学环节 | 教师活动 | 学生活动 | 设计意图 |
|---|---|---|---|
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【一 创 设 情 境 导 入 新 课】 |
【新课引入】 通过磁铁吸引大头针的数量让学生定性观察磁场强弱引入新课。 同学们观察实验，三次实验有什么不一样呢？  同一磁体周围，不同距离磁场强弱不同，距离越远磁场越强。相同距离,磁性越强的磁体激发的磁场越强。 我们需要寻找一个物理量来描述磁场的强弱 |
【回答】 第一次没有吸起来，第二次吸的大头针少，第三次将大头针全部吸起来了。 【引发思考】 同学们观察实验，对比实验结果发现规律并进行思考。 |
用简单情景设置激发学生的好奇心，符合高中生的认知规律，确定本节课的主线：寻找描述磁场强弱的物理量。 |
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【二类 比 猜 想】 【三 探 究 磁 感 应 强 度 的 方 向】 【四 探 究 磁 感 应 强 度 的 大 小】 【四 探 究 磁 感 应 强 度 的 大 小】 【五 拓 展 小 结 与 练 习】 |
类比电场提出猜想 【提问】 电场的基本性质是什么？ 我们通过研究检验电荷在电场中的受力，定义了一个物理量用来描述电场的强弱和方向，叫做电场强度。 【提问】 与电场类似，磁场的基本性质是什么？ 【引导思考】 我们是否可以通过分析次磁体或通电导线在磁场中所受的力来找出表示磁场强弱和方向的物理量呢？ 【板书标题】 磁场强弱和方向的描述： 【引导思考】 与电场强度相对应，我们先给描述磁场强弱和方向的物理量取个中文名 【讲述】 物理学历史上磁场强度已经用来表示另一个物理量，所以这里就取名为磁感应强度（magnetic induction）至于磁场强度是什么，同学们课后可以自己查阅相关资料 【板书标题】 磁场强弱和方向的描述：磁感应强度 【提问】 为了研究磁场强弱和方向，我们可以先选用比较简单的检验磁体：一枚可以转动的小磁针，把它放入磁场中某一点来观察它的受力。大家注意，看到了什么？ 【讲述】 小磁针转动是因为它受到了磁场力的作用，小磁针静止后的指向显示出磁场对小磁针N极和S极作用力的方向，反映出磁场的方向 物理学中规定：小磁针静止时N极所指方向为该点磁感应强度的方向 【板书】 一、磁感应强度的方向： 小磁针静止时N极所指的方向 【提问】 那小磁针S极受力的方向与磁感应强度方向是什么关系？ 【引导思考】 没有磁单极子的存在，所以不能通过测量N极受力的大小来确定磁感应强度的大小。怎么办呢？ 我们可以用很小一段通电导线来检验磁场的强弱。 【类比检验电荷概念讲述】 为了反映电场强弱我们可以放入一个很小的点电荷成为检验电荷。在物理学中，把很短一段通电导线中的电流I与导线长度L的乘积叫做电流元。和检验电荷一样，电流元也是一个理想模型。 把一段可以看做电流元的通电导线放入磁场中，通电导线受到的磁场力会与哪些因素有关？具体是什么关系呢？下面我们用实验来探究 【板书】 实验探究1： 【引导学生探讨实验原理】 要分析通电导线受力与电流大小和导线长度两个因素的关系，应该采用什么样的实验方法？ 【介绍学生分组实验装置】 说明：电流元是个 理想模型，实验中 采用的一小段通电 导线可以近似看成 电流元。  【组织学生按控制变量法要求分步进行实验】1. 保持导线长度（匝数）不变，改变电流，分析通电导线受到的磁场力与电流的变化关系 2. 保持电流不变，改变导线长度（匝数），分析通电导线受到的磁场力与电流的变化关系 实验结束，要求学生断开电源 【引导学生总结实验结论】 分析了很多实验事实后我们认识到： 1.导线长度不变时，通电导线受到的磁场力与电流的成正比。 【板书】 I不变 F ∝ I 2. 电流不变时，通电导线受到的磁场力与导线长度成正比 【板书】 L不变 F ∝ L 综合起来就是磁场力与电流和导线长度的乘积成正比 【板书】即 F ∝ IL 写成F=BIL， 其中B为比例系数 【引入演示实验】 在同一个磁场中的同一位置，磁场强弱是确定的，B值是恒定的，它与导线长度和电流的大小都没有关系，那么在同一磁场的不同位置或不同磁场中的同一位置，磁场强弱一般会不同，B值还是恒定的吗？我用同样的原理设计了一个演示实验，我们一起来探究吧 【板书】 实验探究2： 搬上演示实验仪器，切换课件页面 【介绍演示实验装置和使用方法】 【分三步进行演示实验操作、组织学生讨论：】
2.同一磁场不同位置：B不同 3.不同磁场同一位置：B不同 【提问】 通过刚才的实验，大家是否找到了表示磁场强弱的物理量？ 它就是---------F与IL的比值 我们称之为磁感应强度的大小 再一次运用比值定义法，我们定义： 【板书】 二、磁感应强度的大小单位由F、I、L的单位决定，在国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉（tesla），简称特，符号是T 【板书】 单位：1T=1N/A·m 【拓展实验】 在前面的实验中，我们的通电导线都是与磁场方向垂直的，若改变通电导线的方向，磁场力的大小会减小甚至可能变成零，大家可以一起来验证一下 这是怎么回事呢？  这个问题我们留到第四节再来学习撤下演示实验仪器，切换课件页面。要求学生整理好实验器材 特斯拉是一个比较大的单位，常见磁场中的磁感应强度大家可以参考一下教材第84页的表格。 至于特斯拉何许人也，请大家课后自行查阅相关资料 【课堂小结】 本节课我们学到了什么？ 1.磁场的强弱和方向可以用磁体或通电导线在磁场中受到的力来表示 2.描述磁场强弱和方向的物理量是磁感应强度 3.磁感应强度方向规定为小磁针N极受到的磁场力方向 4.在通电导线与磁场方向垂直时： 磁感应强度的大小用F与IL的比值来定义 【课堂练习】 根据今天所学的内容,我们来解决一些实际问题 【例题】在赤道上，地球表面附近的地磁场可看成是沿南北方向的匀强磁场，如果赤道上有一根沿东西方向架在跨度20m的电线杆间的直导线，此时通有大小为30A、方向由西向东的电流。若测得地磁场对这根导线施加的磁场力为3×10-2N。则赤道表面地磁场的磁感应强度大小是多少？方向如何？ |
【回答】 电场的基本性质是对放入其中的电荷产生电场力的作 【回答】 磁场的基本性质是对放入其中的磁体或通电导线产生磁场力的作用 【思考】 怎样通过分析磁体或通电导线在磁场中受到的力来寻找表示磁场强弱和方向的物理量 【回答】 可以叫做磁场强度？ 【观察实验，回答】 小磁针转动一定角度后静止了 【回答】 相反 【思考讨论】 磁场除了对磁体有作用力之外，还对通电导线有力的作用 【回答】 控制变量法 【观察与思考】 观察实验仪器，并思考如何进行探究性实验。 【实验操作、 设计表格、 记录数据】 【总结实验结论】 1. 导线长度不变时，通电导线受到的磁场力与电流的成正比。 2. 电流不变时，通电导线受到的磁场力与导线长度成正比 【引发学生思考】 磁场强弱与B值有什么联系？ 【观察与思考】 观察演示实验仪器并思考应该分几步进行探究实验 【观察、思考与讨论】 观察演示实验过程，讨论磁场强弱与B值得对应关系，根据演示实验数据思考F与IL的比值的物理意义 【回答】 找到了，就是F与IL的比值 【学生实验】 转动通电导线，观察通电导线受力变化 查看常见磁场磁感应强度表，体会特斯拉单位大小 【讨论与总结】 【学生练习】 学生分组计算例题，若时间允许，选部分学生上台展示。 |
引导学生采用类比法进行问题思考，提高学生知识迁移能力和类比分析能力。 确定描述磁场强弱和方向的物理量的名称，引导学生了解物理学史。 在演示实验中培养学生细致的观察能力 说明研究磁场方向时以小磁针为对象比较方便；研究磁场强弱时以电流元为对象比较方便 体现控制变量法要求 训练学生实验操作、合作探究、数据分析的能力 对比实验结果，学生实实仔在在的看到：磁场强弱相同时F与IL的比值就相同；磁场强弱不同时F与IL的比值就不同。所以，用F与IL的比值来表示磁场的强弱是理所当然。 拓展到通电导线与磁场不垂直时的情况，为第四节的学习打下伏笔，激发学生探究热情。 引导学生了解实际生活中常见磁场强弱，了解相关物理学史 加深学生理解，练习运用相关原理解决实际问题 |
