法拉第電磁感應(yīng)定律定量測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置的研制

摘要:利用朗威kDIS實(shí)驗(yàn)儀,研制了法拉第電磁感應(yīng)定律定量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)裝置。

關(guān)鍵詞:法拉第電磁感應(yīng)定律;定量測(cè)量;實(shí)驗(yàn)裝置

中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003-6148(2009)11(S)-0058-3

1 原理

筆者在《“感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)探究?jī)x”的研制》中說(shuō):“當(dāng)磁鐵穿過(guò)線圈的速度成倍變化時(shí),線圈中磁通量的變化率不也是成倍變化嗎?”[1]這個(gè)結(jié)論當(dāng)時(shí)沒(méi)有能證明,上網(wǎng)查、上圖書館查也找不到這個(gè)結(jié)論及其證明,因此,只能算是一個(gè)猜想。現(xiàn)在證明如下:

在實(shí)驗(yàn)中,假設(shè)磁鐵在線圈中發(fā)生位移s (圖1),所用時(shí)間Δt,平均速度為,則Δt=s,磁通量的變化率ΔφΔt=Δφs。s一定,磁通量的變化量Δφ=φ2-φ1一定,則ΔφΔt∝v,兩邊同取極限值,﹍imΔt0ΔφΔt∝﹍imΔt0v=v,磁通量的瞬時(shí)變化率就與對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度成正比。

用光電門測(cè)磁極每一次通過(guò)線圈中某一確定位置時(shí)的速度,同時(shí)用電壓傳感器記錄磁極在該位置時(shí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),然后將速度和對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)在直角坐標(biāo)系中描圖象(可以在坐標(biāo)紙上描,也可以用計(jì)算機(jī)上的“工作表”中的圖表功能自動(dòng)繪制),如果在誤差范圍內(nèi)圖象是通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線,就證明法拉第電磁感應(yīng)定律是正確的。

在實(shí)施的過(guò)程中,技術(shù)上遇到的最大困難是:磁鐵相對(duì)線圈的準(zhǔn)確“位置”很難確定。為解決這一難題,我認(rèn)真細(xì)致地分析磁鐵的運(yùn)動(dòng)與電動(dòng)勢(shì)變化的關(guān)系發(fā)現(xiàn):磁極每次通過(guò)線圈時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都有一個(gè)最大值(圖2),每次出現(xiàn)最大值時(shí)磁極應(yīng)該在同一確定位置。盡管我仍然不能確定這一位置,但這已經(jīng)不重要了,我只需要求出磁極每次通過(guò)線圈時(shí)的最大值和與之對(duì)應(yīng)的速度,然后驗(yàn)證他們是否真的成正比即可。

2 制作與使用

2.1 整體裝置(圖3)

2.2 制作材料

塑料管一段,長(zhǎng):80cm,內(nèi)徑:1.7cm;彈簧2條,長(zhǎng):20cm,直徑:1.5cm;園柱形強(qiáng)磁鐵一塊:高:1.6cm,直徑:1.6cm;線圈:5個(gè)50匝的線圈

串聯(lián);比磁鐵略細(xì)的塑料固定塊2個(gè),長(zhǎng)約2cm;直徑大于2cm的圓木棒一段,制作木塞用。

2.3 制作方法

(1)將塑料固定塊用膠粘在磁鐵兩端。

(2)用圓木棒在車床上制作2個(gè)木塞,并在上面鉆孔。

(3)將彈簧的一端與固定塊相連,另一端連木塞,做成一個(gè)彈簧振子。

(4)塑料管上開(kāi)口。

(5)將彈簧振子裝入塑料管中,兩端通過(guò)木塞固定在塑料塊兩端(圖4)。

(6)在塑料固定塊上安裝遮光板。

(7)在塑料管上固定線圈(圖5)。

(8)塑料管的兩端固定在支架上,使其成豎直狀態(tài)(圖3)。

2.4 使用方法

(1)將朗威kDIS實(shí)驗(yàn)室中的數(shù)據(jù)采集器與電腦相連;將電壓傳感器、光電門與數(shù)據(jù)采集器相連;將電壓傳感器與線圈相連;光電門與遮光板耦合。

(2)啟動(dòng)電腦,打開(kāi)朗威kDIS實(shí)驗(yàn)室專用軟件,并調(diào)整、設(shè)置好,線圈匝數(shù)n=50。

(3)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開(kāi)始”命令,開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。

(4)手拿遮光板上提到適當(dāng)位置釋放,彈簧振子上下自由振動(dòng)。

(5)幾秒后振動(dòng)結(jié)束,同時(shí)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“停止”命令,停止采集數(shù)據(jù)。

(6)讀出電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值與速度的數(shù)值,以電動(dòng)勢(shì)為縱軸,速度為橫軸作圖像。

(7)改變線圈的匝數(shù)n=100匝、150匝、200匝、250匝,重復(fù)3、4、5、6。

2.5 注意事項(xiàng)

在組裝之后調(diào)試的過(guò)程是漫長(zhǎng)和艱辛的,在長(zhǎng)達(dá)半年時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)的線性關(guān)系時(shí)好時(shí)壞,大部分時(shí)間內(nèi)線性關(guān)系是很差的。在長(zhǎng)時(shí)間大量的反復(fù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),光電門與線圈的相對(duì)位置十分敏感,光電門只有在某一很小的范圍內(nèi),實(shí)驗(yàn)點(diǎn)才成比較好的線性關(guān)系。調(diào)整方法:在遮光板遮光的時(shí)間內(nèi),磁鐵上面的磁極恰好從線圈的一邊運(yùn)動(dòng)到另一邊。還有,磁鐵無(wú)論是從上向下,還是從下向上,傳感器都會(huì)采集對(duì)應(yīng)的速度和電動(dòng)勢(shì)。為了減少誤差,最好取磁鐵從下向上時(shí)的數(shù)據(jù),將1、3、5……行刪去,使用2、4、6……行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪圖象。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)論

當(dāng)匝數(shù)n=50匝、100匝、150匝、200匝、250匝時(shí),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6。

結(jié)論1 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與速度成正比,E∝v,既感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量的變化率成正比,E∝ΔφΔt。

圖6中五個(gè)圖象的斜率與匝數(shù)的關(guān)系圖象,是過(guò)原點(diǎn)的直線(圖7)。

結(jié)論2 圖象的斜率與線圈的匝數(shù)成正比,Ev∝n。

總結(jié)論 由于電動(dòng)勢(shì)E∝v∝ΔφΔt,則Ev∝EΔφ/Δt∝n,得到E∝nΔφΔt。到此圓滿完成法拉第電感應(yīng)定律的定量探究。

參考文獻(xiàn):

[1]吳祥志.《“感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)探究?jī)x”的研制》.《物理教學(xué)》,2006年第11期

(欄目編輯王柏廬)