探究什么情况下磁可以生电实验报告_ＤＩＳ磁学探究性实验二例

时间：2019-02-02 03:18:10　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘要：通过两个DIS磁学探究性实验设计，揭示了DIS实验系统对物理实验教学变革的重要作用。　　关键词：DIS；地磁场矢量；磁力势能　　中图分类号：G633.7
　　文献标识码：A
　　文章编号：1003-6148(2008)1(S)-0007-3
　　
　　DIS(Digital Information System)实验系统是传统物理实验测量工具和数据处理方法的革命。定量、精确、快速是DIS实验系统的优势，传统实验技能是DIS实验的基础，传统实验和数字化实验的整合代表了新物理实验改革的方向。随着DIS实验系统在物理实验教学中的广泛应用，使得很多原来无法让学生看明白的物理现象可以清楚的展现在学生面前，使得很多抽象的物理原理可以通过DIS实验进行探究。
　　
　　1 地磁场矢量性研究实验
　　
　　实验背景：地磁场比较弱并且一般情况下由地磁场引起的感应电流很小，普通的灵敏电流计也无法测量出来，但在“DIS”物理实验中，我们就能很容易观察到单匝线圈在地磁场中转动时产生的感应电流，原因是利用了具有很高灵敏度的电流传感器。那么，我们能否运用磁传感器来进行地磁场矢量性研究呢？在自主探究中我们发现改变磁传感器的位置和方向，可以测到磁感应强度的明显变化，但是，磁传感器测到的永远是某一方向上磁感应强度的大小，它不能测出任何一点磁感应强度的大小，并且磁传感器显示的值，根据选取的零点不同而不同，就好像电势和重力势能，选择的零点不同，测出的大小也不同。下面我们先观察图1中地球周围的磁场和磁南极、磁北极与地理的北极、南极之间的关系，根据图示，画出自己所在位置地磁的矢量图（如图2）。
　　把地球看作一个磁体，地球在地面上某点产生的磁感应强度可分解为水平和竖直两个方向。在水平面，磁场方向由南指向北，即指南针所指的方向。地磁场在竖直方向也有分量，且竖直向下，如图2所示。地磁究竟有多大，它的矢量性表现在哪里？我们需要通过实验来测量、证明。因此，实验的目的是：测量地磁场不同方向上的分量及地磁场与水平方向的夹角等等，然后进行研究方案和实验步骤的确定。
　　讨论方案：
　　（1）测量地点的选择：必须选择一个周围没有铁磁金属物体和强磁场的区域，在无外界干扰的情况下进行测量。
　　（2）测量方法的探讨：地磁场随着位置的改变而改变，用试探法确定一个固定点，研究不同方向的地磁场分量。
　　实验步骤：
　　（1）用水平仪调整支架，位置低的点用小纸片垫平。
　　（2）拿一张纸，沿横、竖两个方向对折，确定一个原点。确定原点的位置后，固定该纸张。将一小磁针放于该原点，确定地磁场的大概方向。过此原点做沿着磁场方向的直线和垂直于磁场方向的直线（如图3）。
　　（3）如图4所示，将磁传感器中心对准原点，测量不同方向的磁感应强度。记录传感器显示最大和最小数据的方向。
　　（4）根据测得的数据，设置如图5界面，以显示最小数据的方向，设置零点，改变磁传感器方向，测出水平面内不同方向上和竖直方向上磁感应强度大小。
　　实验中发现的问题及解决办法
　　（1）由于传感器的特殊性，会发生零点微偏，测数据前先要进行调零，每次测量必须在同一点调零。
　　（2）由于传感器的灵敏度为0.0025mT，数据呈跳跃式变化，因此要增大数据采集数量，取其平均值进行比较。
　　（3）为了减小实验误差，在同一方向进行正反两次测量。该方向的磁感应强度取B=B�正-B�反2
　　（4）磁传感器中心不可能和所选的原点完全重合，在测量竖直方向的磁场时，由于装置的限制性，只能测到竖直向下的磁感应强度。由于支架上有铜导线，2+（见图5）方向的磁感应强度也测不到。
　　实验结果（表1）：单位（mT）
　　
　　从地磁场矢量性研究试验可以看出，DIS实验系统使得很多原来无法让学生看明白的物理现象可以清楚地展现在学生面前。DIS实验系统不仅提供了创新的环境，拓展了思维，而且将以前无法探知的物理规律也可以通过DIS进行探究实验，给物理实验教学带来了新变革。
　　
　　2 磁力势能测量实验
　　
　　实验背景及实验目的：开发更多的DIS实验以解决物理教学中的难点实验，积极引导学生创造性的探索，充分发挥学生学习的主体性，是实现“以人为本”教学理念的重要途径之一。比如：磁相互作用形成的磁力势能[1]（以下简称磁力势能），在高中物理知识中并没有提到过，如何研究并测量磁力势能就是难点实验之一。因为磁力势能比较抽象，以前很难直观的展现和测量，如何测量磁力势能呢？我们仔细观察动量守恒实验装置，为了防止小车滑出轨道，在轨道末端放置一个磁极，小车上也安装有同样大小的磁极，这样小车在运动到轨道末端时，由于受到磁力作用，会改变运动方向。实质上是小车速度先减小为0，后又加速为v。小车受到的磁力随着距离的变化而变化，超出一定范围后，几乎为零。从能量守恒的角度看，在小车运动到末端点的过程中，小车的动能转化为磁力势能，小车离开末端点的过程中，磁势能转化为动能。
　　实验设计：磁力势能的测量
　　由以上分析，如果能知道小车运动的动能变化，就可以知道磁力势能的大小。但人为施加初始动能的值是无法恒定的，且实验重复性差，用光电门测量速度可行，但是要想采集多个数据，光电门需要很多，不现实。如果用位移传感器，最好能采用一定的措施，小车的初动能变成一个可控制的量。我们先后采用弹簧进行实验，装置如图6，由弹性势能转化为动能，这样设计实验可以增加实验的控制力度，但实验采集到的数据点太少，小车运动三、四个周期就停止了，依然不能测到磁势能随距离变化图线，原因是摩擦力存在，小车的初动能太小，压缩弹簧形变太大时，小车容易出轨。最终确定方案为：将导轨倾斜，让小车在一个斜面上运动，实验装置如图7，斜面倾角为θ，每次实验都让小车从距离磁末端点0.5m处由静止向斜下方滑行，用位移传感器记录小车到传感器接收端的最远点距离S�1和最近点距离S�2，小车长为0.168m,小车滑到接近磁末端点时，速度变为零，动能为零，这时磁力势能的增加是以重力势能的减少为代价的，则重力势能减少了mg(s�1-s�2)sinθ，它在数值上等于此刻两磁体相距距离为X所具有的磁力势能。而后磁力势能又转化为动能，小车沿斜面向上运动，就这样小车在斜面上往返运动。如果传感器记录小车静止释放时的初始位置为S��21�，则X=S��21�+0.5-0.168-S�1，因为在同一个实验中S��21�的测量值是定值，所以X只随S�1的改变而改变。这样便可以得到磁力势能U随磁极间距离X变化的关系曲线。实验图线如图8和图9：
　　实验结果：磁势能随距离变化曲线和拟合函数如图10：
　　实验中存在的问题及思考：
　　（1）在测量磁势能时，不能具体确定超声波在小车上的反射位置，所以磁势能的测量存在系统误差。
　　（2）位移传感器能调到的最佳状态是显示数字差不超过1mm，但是一般很难调到这种状态，一般情况下同一位置显示数字差距在2-4mm，位移传感器记录的是小车在运动过程中的瞬时状态，对于这种瞬时显示数字的不确定性只能采取多次测量取平均值的方法。
　　（3）在测量磁势能时，要设法固定磁端点不动，采取垫纸片等方法，本实验选择在倾角3°的斜面上测量。
　　通过磁力势能的测量实验，我们看到DIS实验系统给学生提供了多视角、多方位的研究平台，可以使学生运用已学的物理规律对新的物理现象进行多视觉感悟，有利于学生去把握研究问题的主要特征，有利于解决教学中的难点实验。利用DIS实验系统进行实验探究，促进学生思维方式、学习方式的改变。因此，DIS能带来更高层次的思维能力培养和创新发现。
　　
　　3 结束语
　　
　　DIS实验系统对物理课程的教学模式和教学理念都将产生深远的影响，同时DIS的应用与培养学生创造性思维联系密切。相信在未来的物理实验教学中，我们会更好的利用DIS资源，真正发挥DIS的优势，不断促进学生创造性思维能力的培养。
　　
　　参考文献：
　　［1］凌肇元主编.气垫导轨上的物理实验.科学普及出版社，1983：P171~P181
　　(栏目编辑赵保钢)
　　
　　注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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