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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二．提出探究問題，實施探究過程

我們要求學生以探究性的學習方式從發現問題提出假設開始－進行實驗驗證－修改假設－再觀察實驗結果－歸納實驗現象－作出理論分析－最後得出結論的方式，著重對實驗的條件和誤差產生的原因進行分析。

問題一：

將鐳射管、導線架、光屏按照實驗原理圖在導軌上固定好之後，使鐳射光束垂直入射到兩根磷銅絲的單縫平面上。在觀察光屏上所成的像的同時調節導線架上的調節間距螺絲，使光屏上出現衍射條紋。但是，光屏上呈現的衍射條紋卻不是理想的單縫衍射條紋。原因何在？

探究過程：

氦氖雷射器的波長 λ ＝ 6328埃，狹縫或者障礙物的線寬只要在 10-4m 的範圍內就可以實現衍射。而導線架中的磷銅直徑為1.4×10-4m。所以條紋可能是兩根磷銅絲和它們之間的狹縫分別發生的衍射在光屏上疊加的結果。因此，要想得到單純是由狹縫引起的衍射，必須增加磷銅絲的線寬。

解決措施：

在已經固定好的磷銅絲狹縫的週邊仔細塗上不透光的物質（例如指甲油），用來增加磷銅絲的線寬。

結果：

再次將鐳射光束打到加工過的狹縫上，光屏上出現理想的單縫衍射圖樣。

問題二：

在兩平行電流的方向相同時，在光屏上觀察到衍射條紋外移的現象。根據公式 d sinq = K l ，外移即 sinq 值變大，可知兩導線間距 d 變小。與安培定律相符合。改變接線方法，接通長直導線的電流後，理論結果是衍射條紋向中心收縮，但是結果仍在光屏上觀察到衍射條紋外移的現象。這又是什麼原因造成的？

探究過程：

對光屏條紋發生外移的原因我們假設有：光 路問題、電路問題、干擾因素、磷銅絲通電導致形變、磷銅絲不直、實驗儀器設計不當等。對這些假設我們逐一進行了驗證

光路問題：

如果在光路中存在誤差因素，那麼我們直接用放大鏡觀察導線的移動情況應該能夠觀察預料中的結果。觀察發現，不管線路如何接法使電流同向還是反向，兩導線都是相互靠近。於是，排除了光路問題導致圖樣變化的可能。

電路問題：

為找出電路中可能存在的問題，最直接的方法就是用電流計來檢測電路中電流的方向。我們將直流靈敏電流計串聯入電路中，從電流計的指標偏轉方向可以看出，電流的確是先同向後反向。於是，電路可能存在問題的假設也排除了。

干擾因素：

為了找出回路中空間任意分佈的連線(例如，與電源相連的導線)可能對通電長直導線的磁場產生的干擾影響，我們調整了其他連線的位置，使磷銅絲產生的磁場不受其他外磁場的影響。結果發現，原有的現象仍然存在，因此，干擾的因素也可以排除。

通電導致磷銅絲形變：

在設想過多種原因最後還是不能得到理想結果後，我們猜想，可能是磷銅絲通電加熱後伸長而造成了導線移動。我們先改用單根磷銅絲進行較大電流的實驗，明顯地觀察到在通以較大電流時磷銅絲的確發生了彎曲，由此，我們推斷兩平行直導線通以反向電流時發生相互吸引的現象實際上可能是導線通電後發生的形變所造成的。儘管磁場力會引起排斥，但是如果形變力比磁場力大得多，後者產生的效應就被掩蓋了。但是，如果形變是導線變熱引起的，那麼彎曲的方向應是隨機的。但經過反復多次實驗，導線的形變都發生在同一個方向，因此，我們猜想可能還存在其他原因。

磷銅絲不直：

我們又假定出現實驗結果的原因可能是由於磷銅絲一旦彎曲後沒有完全保持平直而造成的。要想獲得沒有發生過任何彎曲的磷銅絲是不太可能的，於是，我們採用了幾乎沒有彈性的細銅絲代替，只要觀察到兩導線受磁場力作用符合理論結果的現象就能證明上述假設成立。我們將直徑0.1mm 的銅絲連入導線框，接通電源，結果再次發現並沒有出現我們預料的現象，這個假設又被否定。

實驗儀器設計不當：

在分析儀器裝置時，發現原來固定在導線框上的兩根磷銅絲，其間距是由兩側螺絲頂住並調節的，導線受力後分別呈現“〕〔”的形狀。我們假設可能在通以電流之後由於磷銅絲變熱伸長，但又受到四個調節螺絲的擠壓，從而導致了磷銅絲產生相向的形變。

解決措施：

為了證實這個假設，我們卸掉四個調節螺絲讓 0.1mm 的銅絲完全保持直線固定於導線框內，我們設計了如圖所示的一個配件。圓柱體上刻有兩平行圓槽，用於安置銅絲。槽間距為固定的 0.3mm，在雙槽的兩側分別打兩個平行且通過直徑的小孔，整個圓柱體的一側與一個調節螺絲固定，另一側對稱的位置有一個比調節螺絲直徑稍大的圓洞，起到穩定圓柱體的作用。將兩根銅絲分別穿過圓柱上的小孔再繞圓槽一周後固定于原來的位置，這樣銅絲就通過圓柱的凹槽沿圓柱的切線方向被固定。保證銅絲未受到影響實驗結果的外力。

（ 安培定律演示導線架圖示）

結果：

再次接通電流，當兩平行導線電流方向相同和相反時，我們從衍射圖像中推斷出了磁場力的作用是相吸或相斥的現象。實驗終於演示成功了。

 

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