電磁法測速度和加速度的研究

鄧凡　程濤　劉亞楠　張穎　王頔

摘 要：作者用創(chuàng)新實驗進行電磁法測速度和加速度的研究。在經(jīng)過相關(guān)公式，單機片編程和IC的運算后，速度可以在液晶顯示屏展示出來，并且得到I-v之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)；測速度和加速度；實驗方法

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）8-0054-3

本文首先回顧中學(xué)物理實驗中測速度和加速度的基本方法。然后提出并研究基于電磁感應(yīng)原理來測量速度和加速度的方法。

1 中學(xué)物理實驗測速度和加速度的基本方法

1）通過打點計時器來測量速度和加速度，通過紙帶處理運算找出相應(yīng)的速度。再通過逐差法算出加速度。

2）運用光電門測速度，認為通過光電門時的速度為勻速，測量在擋光片時的瞬時速度來代替平均速度。通過測量擋光片遮擋光的時間，和擋光片的寬度，運用算出速度，再根據(jù)兩光電門之間的距離x，通過公式算出加速度a。

3）利用頻閃照相測速度，利用頻閃照片拍攝物體在不同地方的位置，再根據(jù)運動學(xué)的公式來計算，處理方法同打點計時器。

4）利用平拋運動測速度，根據(jù)平拋運動的規(guī)律來求出速度。

2 電磁感應(yīng)現(xiàn)象

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，對其本質(zhì)的深入研究所揭示的電、磁場之間的聯(lián)系，對麥克斯韋電磁場理論的建立具有重大意義。

動生電動勢是因為導(dǎo)體自身在磁場中做切割磁感線運動而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，其方向用右手定則判斷。使大拇指跟其余四個手指垂直并且都跟手掌在一個平面內(nèi)，把右手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，大拇指指向?qū)w運動的方向，則其余四指指向動生電動勢的方向。動生電動勢的方向與產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向相同。右手定則確定的動生電動勢的方向符合能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。

3 電磁法測速度、加速度的物理設(shè)想

閉合導(dǎo)體中的一部分與磁場發(fā)生相對運動，導(dǎo)體中的電子隨導(dǎo)體儀器運動，受洛倫茲力的一個分力的作用，使電子定向移動形成電流。

動生電動勢E=BLv，由歐姆定律：將上式化簡、變形可得：當然，這只能將此公式運用到勻強磁場中，那么如何制造勻強磁場呢？

產(chǎn)生磁場的原因有以下幾種方式：①通過永久磁體產(chǎn)生；②通過電磁感應(yīng)中電生磁的原理來設(shè)計。當然，如果用永久磁鐵要認為永久磁鐵產(chǎn)生的磁場是勻強磁場，就需要足夠大的磁場作為支撐。所以我們在這選取第2種方式②。

電生磁也是我們高中階段必須掌握的重要知識之一。那么，如何運用這一原理制造勻強磁場呢？我們首先想到的應(yīng)該是螺線管。我們認為螺線管內(nèi)部的磁場為勻強磁場，整個裝置可運用螺線管制作勻強磁場。

整個實驗裝置分為以下幾個部分：滑塊，滑塊所在的軌道，螺線管，恒定電源，單片機，鋁線，導(dǎo)線（圖1）。小滑塊沿軌道滑動，當穿過螺線管時，認為螺線管內(nèi)部為勻強磁場，導(dǎo)線切割磁感線時，會產(chǎn)生感應(yīng)電流，讓單片機記錄最大的感應(yīng)電流，通過，來進行電流與速度之間的轉(zhuǎn)換。計算加速度時，可以通過二螺線管之間的距離，和滑塊通過兩螺線管的速度通過公式

本實驗裝置可以由學(xué)生動手制作。其中，螺線管可以用硬質(zhì)鐵絲纏繞，在纏繞的時候要注意螺線管的匝數(shù)應(yīng)該相同，而且連在同一電源之上，以保證兩邊產(chǎn)生的磁場強度相同。單片機可由高中學(xué)生和大學(xué)學(xué)生共同制作，在合作的過程中激發(fā)學(xué)生對今后繼續(xù)學(xué)物理的興趣和合作能力。對于學(xué)校相對偏遠的地區(qū)（周圍很難找到高校），可用電流計代替單片機，所以從儀器的制作到儀器的使用，完全體現(xiàn)以學(xué)生為主的思想。

另外，實驗的成功還離不開學(xué)生的知識儲備。比如說：為何螺線管內(nèi)部可以看作勻強磁場？怎樣運用電生磁，電磁感應(yīng)？怎樣將電流轉(zhuǎn)化為速度？運用速度怎樣求解加速度？等等。所以，學(xué)生要做好這一實驗，就必須下功夫整理好相應(yīng)知識。

4 儀器的調(diào)試與定標

4.1 儀器的調(diào)整與平衡摩擦力

按照原理圖將實物圖連接在一起，反復(fù)調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)桿使滑塊重力的一個分力剛好平衡摩擦力。另外，調(diào)節(jié)兩螺線管的位置使其相隔一定距離L，讓滑塊從滑板上滑動，從單片機上讀出小滑塊通過兩螺線管之間的速度。對比二速度，通過滑板上右邊的調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)滑板的傾斜度，使之剛好做勻速直線運動。

4.2 單片機的編程

int R；

Double v==0.0，I=0.0，B=0.0，L=0.0；

{ while

V=（I*R）/（B*L）；

LCD_1602_display（v）

-delay-ms（100）

}

4.3 儀器的基本物理量

1）銅質(zhì)導(dǎo)線的電阻：0.0170 Ω。

2）切割磁場鋁制導(dǎo)線的電阻：0.0014 Ω。

3）螺線管中磁場強度：可直接有相應(yīng)的儀器測量出磁感應(yīng)強度。

4）接通螺線管電池的電動勢：E=3 V。

5）切割的鋁導(dǎo)線為4 cm。

6）可采用深圳市昊通達科技有限公司生產(chǎn)的內(nèi)核為MCS51，型號為 STC12C5A60S2-35I-PDIP40的單片機。

4.4 “電磁法測速度和加速度”與“打點計時器測速度和加速度”對比

實驗結(jié)果表明：與傳統(tǒng)測速度的方法所測得的實驗數(shù)據(jù)相比仍存在一些偏差。由于傳統(tǒng)實驗所計算出來的速度也存在一些誤差，這些誤差的來源可能是讀數(shù)時的誤差，計算時的誤差等。所以，電磁法測速度、加速度的方法是可行的。

4.5 儀器的測量精度及測量范圍

儀器的測量精度和測量范圍取決于磁感應(yīng)強度以及單片機的顯示情況，如果將接通螺線管（沒有鐵芯）的電源固定為一個定值3 V，磁感應(yīng)強度為0.002 T，若單片機測量的精度為0.010 mA，帶入公式可求得速度的精度為0.0020 m/s，可以通過單片機和提供螺線管的電源來改變儀器的測量范圍。

5 實驗裝置運用于中學(xué)教學(xué)

將此實驗裝置運用到實際。實驗對象為黃岡中學(xué)的學(xué)生和黃岡師范學(xué)院電信專業(yè)的學(xué)生。共4組，一名大學(xué)生和一名高中生為一組。其中兩組為其提供以下儀器：鐵芯、計算機、單片機、導(dǎo)軌、小車、蓄電池、導(dǎo)線、鋁線、銅線等實驗儀器。另外兩組則讓其通過看書并思考相關(guān)問題。

讓小組合作，自主制作電磁法測速度的實驗儀器。其中，電信專業(yè)的學(xué)生主要負責(zé)單片機的制作與調(diào)試，黃岡中學(xué)的學(xué)生負責(zé)其他部分的制作，最后相互合作將實驗裝置組拼起來。

四個小組形成鮮明的對比，自己動手制作的學(xué)生，無論在動手能力還是在構(gòu)建物理知識體系上遠遠要比沒有動手實驗的學(xué)生的能力要強，而且對物理產(chǎn)生了濃厚的興趣。

6 結(jié) 論

根據(jù)實驗最后的效果可以看出，此實驗創(chuàng)新培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和學(xué)習(xí)物理的興趣，體現(xiàn)了以學(xué)生為主，充分將所學(xué)的知識進行運用，不僅要讓學(xué)生學(xué)到知識，更重要的是發(fā)展學(xué)生的智力，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，使學(xué)生的知情意行全面發(fā)展。

謝謝導(dǎo)師黃岡師范學(xué)院副教授楊昌權(quán)先生的指導(dǎo)。

參考文獻：

[1]何書明. 新課改視野下中學(xué)物理實驗教學(xué)策略[J].物理教學(xué)探討，2009，11（5）：1—2.

[2]趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2012：168—172.

[3]譚浩強.C程序設(shè)計（第三版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：123—128.

[4]賈貴璽，姚海彬.電工技術(shù)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

（欄目編輯 王柏廬）