安培力实验报告(北京科技大学物理实验报告)

北京科技大学实验报告

安培力

实验目的

学会设计简单的实验方案，利用自组仪器合理搭建实验设备；学会用归纳法研究磁场中载流导线的受力规律。实验原理

将一段通电导线置于以均匀磁场中，导线受到的安培力与磁场的方向和强弱、载流方向和强度大小、导体形状和尺寸相关。

实验仪器

天平LGN310、矩形磁极一对、电磁线圈两个、U形铁芯一个、4个尺寸不同的导体、直流电源、电流表、轻质金属导线、开关、导线等。

实验内容及步骤

（1）利用电流秤测量磁场中载流导体的受力。

（2）利用U形铁芯的两个电磁磁极产生较强的匀强磁场。

（3）调节砝码使天平达到平衡。

（4）改变励磁电流、载流线圈电流、载流线圈尺寸测量线圈所受安培力大小。以研究安培力与磁场、载流、导线尺寸的关系。

数据测量结果：

数据分析：

此次实验是为了研究载流导体在磁场中的受力规律的。实验中主要研究安培力大小与励磁电流、载流线圈电流、载流线圈尺寸的关系。实验数据中的“-”号表示反向测量时的电流。并且，实验中以安培力向下方向为正。

需要说明的是，实验中，我们考虑到磁场太小时即使线圈电流很大也不能使得天平有很大偏转。所以我们先在励磁电流为3A的情况下测出不同线圈电流所受的安培力的大小；然后再在线圈电流为3A的情况下测出不同励磁电流（及磁场强度）情况下的安培力大小。这里其实也使用到了控制变量法的基本原理。

用各组数据的前一半数据可画出如下四张图形：

从四张图中可以清楚看到，当磁场、线圈尺寸、线圈匝数不变时，安培力和线圈电流成正比例关系，即：F∝I。

为了方便分析，可以把数据都放到一个图中（如下）：

我们先分析一下A,B,C三组。这三组数据的共同点是线圈匝数相同，所以说，在磁场中线圈长度越长，安培力随电流的变化速率越快。那么两者的定量关系又如何呢？我们可以看到，线圈长度关系为：L(C)=2L(B)=4L(A)。而三者对应的安培力是什么关系呢？我们可以从下图中看出，变化率也是两倍关系。即：F∝L

C，D两组相比，我们知道：线圈匝数越多，变化率越大。由公式可知，D的变化率是C的变化率的两倍。为了更清楚看出此关系，我们可以画出两者的变化关系（如下）。

这样，我们就能看出两者的变化率几乎是两倍的关系。因而，可以推断安培力F∝n（匝数）。

综上所述，安培力正比于线圈匝数，线圈中的电流和线圈在磁场中的长度，也就是说F∝nIL。

下面我们来讨论一下线圈电流不变的情况下上述结论是否成立，同时研究一下安培力与磁感应强度的关系。

根据数据A~D，可以画出如下的图形：

显然，安培力随着励磁电流增大，一直上升。且两者成正比例关系。也就是说：F∝B，而四种情况的综合如下图所示：

我们可以用同样的方法得出安培力F∝nL，与上面的F∝I和F∝I结合起来我们就得到：F∝nBIL。至此，我们就推出安培力随所有影响因素的变化关系了。

实验总结

此实验的构成十分简单，就是使用控制变量法来解决影响安培力的几个因素。实验中，我们一共测量两组数据，即：控制励磁电流不变和控制样品电流不变，分别测量不同样品的安培力。最为困难的也是最为费时间的是天平平衡的控制。天平上标的不是质量，所以，我们没法测出安培力具体的数值，这也是我图中没有标明单位的原因。因而说，此实验只是一个验证性质的实验，是定性的。

实验中得出的结论就是F∝nBIL，这也就是安培力的表达式了。但是此实验中没办法得出它们的比例系数，因而只有到此为止了。