高中理工拓展实验探索: 自制改装DIS实验验证影响安培力大小的因素

来源:用户上传      作者:

　　实验教学目标：
　　1.物理观念：掌握影响安培力大小的几个因素并会定量计算安培力;
　　2.科学思维：理解并会运用控制变量法的物理研究方法，学会利用现成的器
　　材进行改造为我所用的创新思维;
　　3.科学探究：借助DIS传感器研究安培力大小与磁感应强度、电流及导体
　　有效长度的关系，学会使用磁传感器和和电流传感器。
　　4.科学态度和责任：增强创新意识、合作意识和动手能力，学会发现问题、
　　解决问题的物理探究精神。
　　实验器材：
　　微力传感器（-2N-2N）、磁传感器（-15mt-15mT ）、多量程电流传感器（±2A档、±200mA档、±20mA档）、自制磁极板（13.5cm×7.8cm）、自绕线框、钕磁铁（直径2.6cm长2cm磁柱16个）、铁板2块（规格135×78×2mm）变阻器、开关、干电池4节及导线等。
　　实验原理及设计思路：
　　磁场对电流的作用力通常称为安培力。电流为I、长度为L的直导线与匀强磁场B垂直放置时受到的磁场力大小F为：F=BIL，磁感应强度B可以用磁传感器进行测定;电流I借助DIS电流传感器测得;长度用带有毫米的刻度尺即可测量;力F的测量利用DIS力传感器测量，但由于提供的磁场都比较弱，导线长度短受力很小，很难测量。实验时，用一定规格的漆包线，绕制N匝线圈，研究一个边在磁场的受力情况。又因为悬挂测力容易扰动，很难得到稳定数据，所以制作了一个力矩杆，设计如图9-2所示方法进行力的测量。根据力矩平衡原理：
　　MG + FAL1 =F1 L2  ①
　　其他条件不变，只改变电流方向，又有：
　　MG -FAL1 =F2 L2    ②
　　①-②  得：FA=（F1-F2）L2/2L1
　　其中，MG 为整个装置的重力矩，L为线框底边宽度，N线圈匝数。
　　实验装置制作及亮点：
　　（1）自制距离可调的匀强磁场。取一定规格的铁板，把钕磁铁柱均匀同极性吸附在铁板一面。同样的方法再制作一块，注意磁铁的极性以前一块相反。
　　注意：制作时首先标记磁极。做法：一块磁铁放在桌面上，其上对称放一片10cm见方的有机玻璃板，那另一块磁铁的一个既靠近，相吸，说明的是异名磁极;相斥，接近的是同名磁极。在同名磁极面上用记号笔标记，以此类推，把16块钕磁铁依次做好标记。
　　两块极板制作好以后，为了便于调节，把两块极板加装固定架，安装在可移动的轨道板上，见图9-3所示。右侧磁极固定，左侧磁极可以通过“调节螺母”改变位置，进而改变磁场的强弱。
　　（2）绕制带卡口的线圈。用1mm厚的电木板，制作一个线圈框架，相关尺寸见图9-4所示。取直径0.4mm的漆包线在框架的凹槽内绕制线圈。实物图见图9-5所示，图中箭头表示线圈绕制的方向。在线圈内侧相邻两边开一个方形卡口A、B用来在杠杆上悬挂线圈，增大稳定度，A口悬挂，受力的有效长度L=127mm，B口悬挂，受力的有效长度L=90mm，进而实现改变长度的目的。
　　（3）测量杠杆制取。取210×4×4mm的方铜杆，从一端到另一端在铜杆的一个侧面每隔10mm表一个刻度。在铜杆邻面10mm处刻一刀口，186mm处再刻一刀口。在图中的B柱上用DIS万能夹安装一个刀口;A柱上用DIS万能夹固定力传感器，两者都可以沿A、B柱上下移动而调节高度，见图9-6。
　　（4）压力传感器的改造：力传感器的测力端需要改造，用一根同规格的螺杆替换原来的测力挂钩，在直螺桿的测力端，加工成刀口状见图9-7。把拉力传感器改造成压力传感器。
　　（5）磁传感器的改造：标配的磁传感器是针对测量螺线管内部轴线上磁场而设计的。传感器测量杆前端的探头一定要与磁感应线垂直使用。根据传感器制作的原理，要用其测量自制类型的磁场，需要对其结构改造。改造前后的对比图见图9-9所示，就是把探头的霍尔元件平面由原来的垂直轴线，改造成平行轴线。这样按照图9-8所示传感器侧立在滑道上探头伸到磁极间，霍尔件平面正好平行磁极表面，刚好符合测量要求。本实验用改造的磁传感器对自制匀强磁场进行了验证，见后面的链接：。
　　（6）供电电路。干电池4节及电池盒，滑动变阻器10Ω2A，单刀开关及电流传感器，还有导线若干。
　　（7）DIS7.2实验软件中的通用软件。同时使用力传感器和电流传感器，设计记录表格，注意传感器调零。
　　实验过程：：
　　（一）实验步骤：
　　1、按照图9-10安装仪器装置，力传感器、电流传感器通过数据采集器与计算机连接，连接供电电路，开关断开滑动变阻器处于最大位置。杠杆对齐刀口，指定位置悬挂线圈，点击DIS7.0软件，传感器调零。
　　2、保持线圈受力有效边长一定，磁极间距一定，改变电流的大小，记录力传感器的示数F1，其他条件不变，改变电流方向，记录力传感器的示数F2。测量时确保线圈处在磁场中央位置，记录L1、L2的数值。
　　3、保持线圈受力有效边长一定，电流的大小一定，改变磁极间距，记录力传感器的示数，其他条件不变，改变电流方向，记录力传感器的示数F2。测量时确保线圈处在磁场中央位置，记录L1、L2的数值。
　　4、保持磁极间距一定，电流的大小一定，改变线圈受力有效边长，记录力传感器的示数，其他条件不变，改变电流方向，记录力传感器的示数F2。测量时确保线圈处在磁场中央位置，记录L1、L2的数值。
　　5、实验结束，整理仪器，数据分析。
　　（二）实验数据分析：
　　数据记录说明：某次实验中匝数N=30，线框长边有效受力长度LA=127mm，线框短边有效受力长度LB=90mm，L1=110mm，L2=186mm。三节干电池供电，通过滑动变阻器改变电流。两个磁极间距D改变，相当于改变磁感应强度B。为了简便测量，悬挂线圈的位置靠近固定磁极距离不变，也保证L1不变。利用表格记录下数据并做相应运算见以下表格。 　　分析表一数据可以得出：在磁场一定，受力长度一定时，电流越大，安培力越大。进一步计算FA/I的比值都接近0.20386，即FA/I=定值，说明安培力与电流成正比。
　　分析表二数据可以得出：在电流一定，受力长度一定时，極板间距越大，B越小。说明两个极板间距越大，内部磁场越弱。进一步计算FA/B的比值接近一定值，说明安培力与磁感强度成正比。
　　分析表三数据可以得出：在磁场一定，受力长度一定时，电流越大，安培力越大。进一步计算FA/I的比值都接近0.23404，即FA/I=定值，说明安培力与电流成正比。
　　进一步比较表二第三行与表三第四行数据发现，D=30mm，I=0.500A，LA1=90mm，FA1=0.08369N;LA2=125mm，FA2=0.11921N，且LA2/LA1=1.4111，FA2/FA1=1.4259。不难得出，在误差允许的范围内安培力与长度成正比。
　　实验反思提升：
　　1、 针对上述测量过程中线圈匝数没有改变的问题，笔者又做了进一步的思考，设计制作了可以改变匝数的线圈，见图9-9所示。绕制线圈过程中，绕20匝后，留出一个接线端，以后每隔10匝留一个接线端，即可获得20匝、30匝、40匝、50匝、60匝等线圈，相当于改变了导线的长度。
　　2、本实验并未探究B与I夹角对安培力FA的影响，通过进一步思考，可以将放置自制磁场的底盘进行改良，把底盘做成可以旋转的底盘，这样可以达到自制磁场在水平面上水平旋转，问题可以得到解决。
　　链接：
　　用改造后的磁传感器探测并验证自制磁场是否为匀强磁场
　　本链接主要讨论借助DIS实验系统及改造后的磁传感器研究自制磁场的磁感应强度与位置的关系，实验利用DIS实验软件专用软件“用DIS研究通电螺线管的磁感应强度”的操作流程进行实验。
　　1自制磁场的制作：
　　取一定规格的铁板，把钕磁铁柱均匀同极性吸附在铁板一面。同样的方法再制作一块，注意磁铁的极性以前一块相反。
　　注意：制作时首先标记磁极。做法：一块磁铁放在桌面上，其上对称放一片10cm见方的有机玻璃板，那另一块磁铁的一个既靠近，相吸，说明的是异名磁极;相斥，接近的是同名磁极。在同名磁极面上用记号笔标记，以此类推，把16块钕磁铁依次做好标记。
　　两块极板制作好以后，为了便于调节，把两块极板加装固定架，安装在可移动的轨道板上，见图1所示。右侧磁极固定，左侧磁极可以通过“调节螺母”改变位置，进而改变磁场的强弱。
　　2  磁传感器探头工作原理：霍尔效应和霍尔元件
　　将一个厚度为d的金属或半导体薄片垂直于磁场B放置 （如图2），在薄片的两个侧面b、c之间通以电流I，另外两个侧面f、g之间产生电势差，这一现象叫做霍尔效应，其原因是薄片中的移动的电荷（载流子）受到洛伦兹力的作用向一侧偏转和聚集，于是在f、g两侧面之间建立起了电场EH，同时产生霍尔电势差UH，当电荷受到的与洛伦兹力相反的电场力和洛伦兹力处处相等时，EH和UH达到稳定值，UH的大小与I、B和薄片厚度d之间满足的关系式，其中比例系数RH称为霍尔系数，仅与材料性质有关。
　　3  磁传感器的改造
　　标配的这种传感器是针对测量螺线管内部轴线上磁场而设计的。把传感器测量杆测量端外部塑料管切割掉，传感器测量杆前端的探头显露出来（如图3左），进一步研究探头的结构可知，探头就是个霍尔元件，元件薄片的横断面是近似一个较扁的半圆形，像一个扁的字母“D”（如图3右），一个底面有三根接线柱。根据霍尔效应原理（如图2），霍尔元件薄片面与磁感应线垂直使用。根据传感器制作的原理，要更方便地用其测量其它类型的磁场，需要对其结构进行改造，就是把探头的霍尔元件平面由原来位置转动90o（如图4右）。改造前后的对比图见图4所示。
　　这样用改造后的磁传感器探头上立起来的霍尔元件可以很自由地探测各种其它类型的磁场，只要保证霍尔元件平面与磁感线垂直即符合测量要求。
　　4  磁传感器测量B值的正负判定
　　学生实验时发现：测出的B值有正负之分，那么，DIS中关于“+、-”怎么规定的呢？
　　通过一个小实验可以测试一下，将磁传感器、数据采集器连接、计算机连接好，点击DIS6.8软件，打开“用DIS研究通电螺线管的磁感应强度”实验，点击“开始记录”后，将探头正对条形磁铁的N极，见图5，屏幕显示“-6.17mT”，在将探头正对条形磁铁的S极，显示“+3.55mT”，由此可知：磁感应线正对探头穿进，规定为“-”。根据前面研究探头的结构可知，探头内部的霍尔元件薄片横断面是一个扁的半圆形，类似扁的字母“D” （如图3左）。从图5的实验结果说明只有当磁感应线从“D”的圆弧面穿入霍尔元件内部时，输出的B即为“-”，当磁感应线从“D”的平面穿入霍尔元件内部时，输出的B即为“+”。
　　5实验操作：
　　按照图6所示方法用改造后的磁传感器测量并得到BY-x的图像。先把自制磁场的两极间距调为D=9cm，磁极中间找平行x轴的三条线，一条靠近固定极板1cm处，一条靠近移动极板1cm处，两级中间为第三条线。得到BY-x图像见图7。
　　改变两极间距调为D=6cm，同样测量得到BY-x图像见图8。
　　两次测量得到的图像可以看出，不论是那次测量，极板中间部分B值基本恒定，边缘略微变大，中间部分可以近似看成匀强磁场，并且间距小，磁场越强。
　　D=9cm，B的峰值接近11.8mT ; D=6cm，B的峰值接近16.7mT
　　所以， 经过改装磁传感器探测自制磁场，通过图像可以确定自制磁场为匀强磁场。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15336903.htm