1、实验一 安培力特性实验【实验目的】(1) 理解安培力的概念和产生原理(2) 掌握安培力与电流大小、导线长度、磁场强度、电流与磁场夹角四者的关系(3) 了解微弱力的测量【实验原理】载流导线在磁场中受到磁场力的作用，这个磁场力称为安培力。安培力的大小和方向与电流的大小 I、 ，导线长度 L、磁场强度 B、导线（指向电流方向）与磁场间夹角四个因素有关，可表示为： LIlIdF标量形式可表示为： sinIB因此安培力正比于电流的大小 I，导线长度 L、磁场强度 B、导线（指向电流方向）与磁场间夹角的正弦。【实验仪器和用具】电流称（含支架、导线组件、均匀磁场） 、5A 直流稳压稳流、电流表、0.01g
2、精度电子天平等【仪器介绍】图 1 安培力特性组合实验装置电流微调电流粗调CV 指示灯电压微调电压粗调cc CC 指示灯朱红妹等，大学基础物理实验1【实验内容和实验步骤】本实验内容较多，数据处理也可涉及列表法、作图法、逐差法、最小二乘法，所以教师可依据实际情况选做，例如 2 课时的教学可选作内容 1 和 2，3 课时教学可选作内容 13 或内容 1，2 和 4，4 课时教学可做全部内容。1. 安培力与导线长度的关系(1) 将最小导线长度电流环 SF 40 (L = 1.2 cm)插入电流称臂末端，调整称臂高度，使电流环线路板导线对称落入磁体组件中央，但板不能碰到磁体。(2) 打开直流稳压稳流电源
3、，调节电流粗调，使“cv”指示灯亮，设置电压输出约 5 V。(3) 用导线连接电源和称臂上两个接线柱，调节电流输出为 2.50 A.(4) 断开连接（松开一个导线夹子） ，这时导线无电流。调节天平水平，打开电子天平，按“去皮重”按钮，电子天平自动去皮重，读数为 0.00 g。(5) 连接回路，记录代表安培力的电子天平质量读数，取正值填入表 1。(6) 依次将电流环换为 SF 37, SF 39, SF 38, SF 41, SF 42，重复步骤(4)和(5)，将数据填入表 1。表 1 安培力与导线长度的关系电流 I = 2.50 A电流环 SF 40 SF 37 SF 39 SF 38 SF
4、41 SF 42导线长度L(mm)12 22 32 42 64 84力F(g)(7) 利用图示作图法给出安培力随导线长度的变化关系。2. 安培力与电流大小的关系并计算磁场大小(1) 选择电流环 SF 38 (L = 4.2 cm)插入电流称臂末端，调整称臂高度，使电流环线路板导线对称落入磁体组件中央，但板不能碰到磁体。(2) 同上设置电压输出约 5 V。(3) 连接回路，调节电流输出约 0 A。(4) 断开回路（松开一个导线夹子） ，这时导线无电流，打开电子天平，按“去皮重”按钮，电子天平自动去皮重，读数为 0.00 g。(5) 连接回路，仔细调节电流输出为 0.00 A, 0.50 A, 1
5、.00 A, , 5.50 A，记录代表安培力的电子天平质量读数，取正值填入表 2。表 2 安培力与电流的关系导线长度 L = 42 mm序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12电流I(A)0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50力F(g)(6) 利用逐差法处理数据，给出磁场的测量结果。朱红妹等，大学基础物理实验23. 安培力与磁场大小的关系(1) 选择电流环 SF 38 (L = 4.2 cm)组装好安培力电流称。(2) 同上设置电压输出约 5 V。(3) 调节电流输出为 2.00 A.(4) 使
6、用 1 块磁体并置于磁体组件中心。(5) 断开回路（松开一个导线夹子） ，电子天平自动去皮重，读数为 0.00 g。(6) 连接回路，记录代表安培力的电子天平质量读数，取正值填入表 3。(7) 调节电流输出为 4.00 A，记录代表安培力的电子天平质量读数，取正值填入表 3。(8) 依次装上 2，3，4，5，6 块磁体并置于磁体组件中心，重复步骤(6)和(7)，将数据填入表 3。表 3 安培力与磁场强度的关系导线长度 L = 42 mm电流 I(A) 2.00 4.00磁体数量 安培力 F(g) 安培力 F(g)123456(9) 利用图示作图法给出不同电流下安培力随磁场强度的变化关系。4.
7、安培力与角度的关系表 4 安培力与角度的关系角度 () 力 F(g) 角度 () 力 F(g)-90 90-85 85-80 80-75 75-70 70-65 65-60 60-55 55-50 50-45 45-40 40-35 35-30 30-25 25-20 20-15 15-10 10-5 50朱红妹等，大学基础物理实验3(2) 设置直流稳压稳流电源：开路，调节电压输出约 5 V，然后短路，调节电流输出 1.00 A。(3) 设置 SF-8608 拨盘到 0。(4) 安装并调节组件 SF-8608 使导线方向和磁场方向平行。用导线经过开关 K 连接电源和称臂上两个接线柱，确认电流输
8、出 1.00 A。(5) 断开回路（松开一个导线夹子） 。这时导线无电流，打开电子天平，电子天平自动去皮重，读数为 0.00 g。(6) 连接回路，微调磁场方向，使读数为 0.00 g。(7) 调节导线和磁场方向夹角从-9090 ，间隔 510，测量代表安培力的电子天平质量读数，将读数直接填入表4。(8) 作出安培力随磁场与导线夹角的变化曲线图。【数据处理】1. 安培力与导线长度的关系利用图示作图法给出安培力随导线长度的变化关系。图 5 典型的安培力随导线长度的变化数据2. 安培力与电流大小的关系及磁场的计算只要电流环线路板中心对称放置，可假设导线与磁场方向夹角为 90，那么有ILFBIBsi
9、n利用逐差法将序号为 16 和 712 的数据分为两组，得到电流增量为 2.50 A 的安培力的增量数据，表 5 逐差法安培力增量数据表导线长度 L = 42 mm， 电流增量I = 3.00 A序号 1 2 3 4 5 6力增量F(g)力增量的平均值 61iiFForce,g朱红妹等，大学基础物理实验4逐差法给出磁场的平均值 IFLgBg=9.8 m/S2，F 直接用天平的质量读数，本实验可认为导线长度 L 为精确值，电流表的仪器误差 I=0.01 A，天平的仪器误差为 m=0.01 g，即力的仪器误差也为 F=0.01 g。磁场的测量相对不确定度为FFFIII FIBSUE2,22磁场的测
10、量不确定度为 BE磁场的测量结果 BU3. 安培力与磁场大小的关系利用图示作图法给出不同电流下安培力随磁场强度的变化关系。图 6 典型的安培力随磁场强度的变化数据Force,gTwo different wire current朱红妹等，大学基础物理实验54. 安培力与角度的关系将实验数据输入计算机，利用计算机作出安培力随磁场与导线夹角的变化曲线图。-10-80-60-40-2002040608010-4-2024F(g)Theta安 培 力 随 导 线 与 磁 场 夹 角 的 变 化图 7 典型的安培力随夹角的变化曲线【注意事项】1. 电流环放置到磁体组件中时应对称中央放置，且不可触碰到磁体
11、。2. 电流称补充组件中的线圈电流不可超过 2A，所以要确保电源输出最大不会超过 2A 才能接通电源。【预习思考题】1. 载流导线在磁场中受力与哪些因素有关？各自与力有什么关系？2. 安培力的本质是什么？或者说安培力是如何形成的？3. 测量安培力的原理是什么？【讨论题】1. 本实验是假设导线处于均匀磁场中涉及的，请讨论本实验中磁体的布局和电流环的放置位置对实验的影响。2. 实验内容 4 的系统能否测量安培力随电流的变化关系？若能，给出你的方法和步骤。3. 实验过程中，由于力的方向问题，电子天平读数可正可负，讨论力的方向不同是否影响实验结果。参考资料：【1】 R. A. Serway & J. S. Faughn, College Physics, 68th Edition, Brooks/Cole【2】 张三慧，大学物理学(第三版)，清华大学出版社，2008 年【3】 PASCO 公司，Instruction Manual and Experiment Guide for the PASCO scientific Model SF-8607 and SF-8608, , 1989
