亞太科學教育論壇，第六期，第二冊，文章三(二零零五年十二月)
朱鋐雄、劉金梅、於潔
發揮大學物理演示實驗的探究教育功能--對安培定律演示實驗現象的探究
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一．觀察實驗結果，引出探究問題

（1）實驗設計的思路和結果

電磁學中關於驗證安培定律的一個演示實驗的設計目標是：觀察兩平行放置的長直導線在通以同向及反向兩種情況電流時，由於磁場力的作用所產生的相互靠近及相互遠離的現象。

由於在裝置上及其它條件上的限制，兩平行電流間的間距很難重現，而且兩平行導線中通過的電流很小，產生的磁場很弱，導線受力後產生的微小位移，很難被肉眼直接觀察到。因此，從這個演示實驗中學生不僅難以定性地觀察磁場力的作用，而且更無法得出定量的結果。

為了能夠明顯地觀察到磁場力的作用，可以設計這樣的實驗思路：把互相靠得很近的兩根平行導線之間的間距看作單縫，把導線通以電流後發生互相吸引或排斥看成是單縫寬度的減少或增加，通過光學中的衍射技術定量地測得間距發生的微小變化，從而計算出通電長直導線受到的磁場力大小。

實驗的基本裝置是這樣的：將兩根直徑為0.14mm、長為250mm、表面光滑的磷銅絲，平行固定在導線架上，磷銅絲的長度是2.5×10-1m，與兩根磷銅絲的間距相比，磷銅絲的長度可以看成是“無限長”。實驗研究的是距離一根通電直導線為 處的另一根平行導線所受到的磁場力的大小。為使其滿足理想條件， 的數量級應該在10-4m數量級範圍之內，同時 還必須滿足作為光學衍射實驗中單縫的要求。當兩長直導線上通過一定的、方向相同或相反電流時，由於電流與磁場的作用，兩導線之間可產生相互吸引或相互排斥的現象，即單縫的寬度發生變化。如果將一鐳射光束射在此單縫上，在長直導線較遠處放一光屏，可通過觀察光屏上的衍射條紋變化的情況，並根據衍射圖樣中強度極小的一般公式：

d sinq = K l , K = 1, 2, 3, ... （極小）

來精確地計算出兩導線的微小間距變化 d 值。式中，λ 為氦氖鐳射波長（6,328埃）； K 為暗條紋的級數.

由於實驗中，電流 I1、I2 和兩長直導線間距 d 都可以精確地測得，而且重複性很好，所以由此計算得到的磁場力，可以達到較高的精確程度。

（2）實驗現象與理論結果不符

在兩根長直導線中通以平行的相同方向的電流，在光屏上可以觀察到衍射條紋外移的現象。根據衍射公式 d sinq = K l ，條紋外移即意味著 sinq 值變大，從而可知兩導線間距 d 變小，於是得出兩根導線所受的到的磁場力方向相向，即兩導線互相吸引，與理論的結果相符。然後，改變接線的方法，使長直導線中通過的電流方向相反。出乎意料的是，依然觀察到衍射條紋外移的現象，即兩導線仍然互相吸引，從現象上看，其結果與理論的結果不符。

對於這樣的演示實驗結果，我們沒有採用把實驗現象與理論的不符歸結於誤差的簡單做法，而是把出現這樣的結果看成恰好是啟發學生進行探究學習的好機會，把從分析誤差著手，改進演示實驗看作是從發揮演示實驗主要是驗證結論的功能走向發揮驗證與探究相結合功能的有益途徑。

Copyright (C) 2005 HKIEd APFSLT. Volume 6, Issue 2, Article 3 (Dec., 2005). All Rights Reserved.