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10. 丹麦科学家奥斯特发现电流的周围存在磁场,法国科学家安培发现两根平行导线通电后有如图乙所示的现象图中实线、虚线分别表示通电前、后的情况。
(1)在演示奥斯特实验时,如图甲所示,正确的实验操作顺序为
①闭合开关 ②放置小磁针
③摆放导线
(2)图乙的实验表明平行通电导线之间有力的作用,若此时改变其中一根导线的电流方向,会产生的实验现象是
(3)安培发现平行通电导线之间相互作用力F的大小可能跟两根导线中的电流$I_{1}$、$I_{2}$,导线的长度L,导线之间的距离r有关,有关实验数据如下表:
分析表格实验数据,可获得的结论是
表格中第7次实验a的大小为
(1)在演示奥斯特实验时,如图甲所示,正确的实验操作顺序为
②③①
填序号。①闭合开关 ②放置小磁针
③摆放导线
(2)图乙的实验表明平行通电导线之间有力的作用,若此时改变其中一根导线的电流方向,会产生的实验现象是
两根导线会相互排斥
。(3)安培发现平行通电导线之间相互作用力F的大小可能跟两根导线中的电流$I_{1}$、$I_{2}$,导线的长度L,导线之间的距离r有关,有关实验数据如下表:
分析表格实验数据,可获得的结论是
(在其他条件相同时)平行通电导线之间相互作用力F的大小跟两根导线中的电流$I_{1}$、$I_{2}$,导线的长度L,导线之间的距离r有关。L、$I_{1}$、$I_{2}$越大,F越大;r越小,F越大(或平行通电导线之间相互作用力F的大小与L、$I_{1}$、$I_{2}$成正比,与r成反比)
。表格中第7次实验a的大小为
$2.0×10^{-7}$
牛。答案
10.(1)②③① (2)两根导线会相互排斥
(3)(在其他条件相同时)平行通电导线之间相互作用
力F的大小跟两根导线中的电流$I_{1}$、$I_{2}$,导线的长度
L,导线之间的距离r有关。L、$I_{1}$、$I_{2}$越大,F越大;
r越小,F越大(或平行通电导线之间相互作用力F
的大小与L、$I_{1}$、$I_{2}$成正比,与r成反比) $2.0×10^{-7}$
(3)(在其他条件相同时)平行通电导线之间相互作用
力F的大小跟两根导线中的电流$I_{1}$、$I_{2}$,导线的长度
L,导线之间的距离r有关。L、$I_{1}$、$I_{2}$越大,F越大;
r越小,F越大(或平行通电导线之间相互作用力F
的大小与L、$I_{1}$、$I_{2}$成正比,与r成反比) $2.0×10^{-7}$
解析
【分析】
这道题围绕电流的磁效应相关实验展开，解题思路如下：
1. 第(1)问：回忆奥斯特实验的操作逻辑，首先要先放置小磁针让其自然静止，之后摆放导线保证导线与小磁针指向平行，最后闭合开关通电观察小磁针偏转，按先后顺序排序即可。
2. 第(2)问：已知同向电流的平行导线相互吸引，当其中一根导线电流方向改变后，两导线电流方向相反，对应的相互作用性质就会从吸引变为排斥，由此推导现象。
3. 第(3)问：使用控制变量法逐一对比表格中各组实验数据，控制其余变量不变，分析F和L、I1、I2、r的变化关系，总结出规律；再根据推导得到的F和各物理量的比例关系，代入已知数据计算第7次的力的大小。
【解析】
(1) 奥斯特实验的正确操作流程：首先将小磁针放置在水平面上，待其静止指向南北方向，之后在小磁针上方平行于小磁针指向摆放导线，最后闭合开关给导线通电，观察小磁针是否发生偏转，因此顺序为②③①。
(2) 图乙中原现象为通同向电流的两根导线相互吸引，若改变其中一根导线的电流方向，两根导线的电流方向相反，平行反向通电导线之间会产生相互排斥的作用力，因此实验现象是两根导线会相互排斥。
(3) 对表格数据做控制变量分析：
控制I1、I2、r不变，改变L，发现L变为原来的几倍，F也变为原来的几倍，说明F与L成正比；
控制L、I2、r不变，改变I1，发现I1变为原来的几倍，F也变为原来的几倍，说明F与I1成正比；
控制L、I1、r不变，改变I2，发现I2变为原来的几倍，F也变为原来的几倍，说明F与I2成正比；
控制L、I1、I2不变，改变r，发现r变为原来的几倍，F变为原来的几分之一，说明F与r成反比。
因此可得到结论：平行通电导线之间相互作用力F的大小与L、I1、I2成正比，与r成反比。
根据比例关系可得公式$F=k\frac{I_1I_2L}{r}$，代入第1组实验数据$F=0.5×10^{-7}N$，$I_1=1A$，$I_2=1A$，$L=1m$，$r=0.2m$，计算得常量$k=\frac{Fr}{I_1I_2L}=\frac{0.5×10^{-7}N × 0.2m}{1A × 1A × 1m}=1×10^{-7} N· m/A^2$。
将第7组数据$I_1=2A$，$I_2=2A$，$L=0.5m$，$r=0.2m$代入公式，得$a=F=1×10^{-7} N· m/A^2 × \frac{2A × 2A × 0.5m}{0.2m}=2.0×10^{-7}N$。
【答案】
(1) ②③① (2) 两根导线会相互排斥 (3) 平行通电导线之间相互作用力F的大小与L、$I_1$、$I_2$成正比，与r成反比；$2.0×10^{-7}$
【知识点】
奥斯特实验，通电平行导线相互作用，控制变量法
【点评】
本题结合物理学史考查电流磁效应的相关实验，既考察基础实验操作的先后逻辑，又通过控制变量法引导学生自主探究多变量物理量的定量关系，对学生的数据分析推导能力有一定要求，属于中等难度的电磁学实验题。
【难度系数】
0.6
这道题围绕电流的磁效应相关实验展开，解题思路如下：
1. 第(1)问：回忆奥斯特实验的操作逻辑，首先要先放置小磁针让其自然静止，之后摆放导线保证导线与小磁针指向平行，最后闭合开关通电观察小磁针偏转，按先后顺序排序即可。
2. 第(2)问：已知同向电流的平行导线相互吸引，当其中一根导线电流方向改变后，两导线电流方向相反，对应的相互作用性质就会从吸引变为排斥，由此推导现象。
3. 第(3)问：使用控制变量法逐一对比表格中各组实验数据，控制其余变量不变，分析F和L、I1、I2、r的变化关系，总结出规律；再根据推导得到的F和各物理量的比例关系，代入已知数据计算第7次的力的大小。
【解析】
(1) 奥斯特实验的正确操作流程：首先将小磁针放置在水平面上，待其静止指向南北方向，之后在小磁针上方平行于小磁针指向摆放导线，最后闭合开关给导线通电，观察小磁针是否发生偏转，因此顺序为②③①。
(2) 图乙中原现象为通同向电流的两根导线相互吸引，若改变其中一根导线的电流方向，两根导线的电流方向相反，平行反向通电导线之间会产生相互排斥的作用力，因此实验现象是两根导线会相互排斥。
(3) 对表格数据做控制变量分析：
控制I1、I2、r不变，改变L，发现L变为原来的几倍，F也变为原来的几倍，说明F与L成正比；
控制L、I2、r不变，改变I1，发现I1变为原来的几倍，F也变为原来的几倍，说明F与I1成正比；
控制L、I1、r不变，改变I2，发现I2变为原来的几倍，F也变为原来的几倍，说明F与I2成正比；
控制L、I1、I2不变，改变r，发现r变为原来的几倍，F变为原来的几分之一，说明F与r成反比。
因此可得到结论：平行通电导线之间相互作用力F的大小与L、I1、I2成正比，与r成反比。
根据比例关系可得公式$F=k\frac{I_1I_2L}{r}$，代入第1组实验数据$F=0.5×10^{-7}N$，$I_1=1A$，$I_2=1A$，$L=1m$，$r=0.2m$，计算得常量$k=\frac{Fr}{I_1I_2L}=\frac{0.5×10^{-7}N × 0.2m}{1A × 1A × 1m}=1×10^{-7} N· m/A^2$。
将第7组数据$I_1=2A$，$I_2=2A$，$L=0.5m$，$r=0.2m$代入公式，得$a=F=1×10^{-7} N· m/A^2 × \frac{2A × 2A × 0.5m}{0.2m}=2.0×10^{-7}N$。
【答案】
(1) ②③① (2) 两根导线会相互排斥 (3) 平行通电导线之间相互作用力F的大小与L、$I_1$、$I_2$成正比，与r成反比；$2.0×10^{-7}$
【知识点】
奥斯特实验，通电平行导线相互作用，控制变量法
【点评】
本题结合物理学史考查电流磁效应的相关实验，既考察基础实验操作的先后逻辑，又通过控制变量法引导学生自主探究多变量物理量的定量关系，对学生的数据分析推导能力有一定要求，属于中等难度的电磁学实验题。
【难度系数】
0.6
