鄧凡　程濤　劉亞楠　張穎　王頔

摘 要：作者用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(jī)片編程和IC的運(yùn)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(shí)驗(yàn)方法

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）8-0054-3

本文首先回顧中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測速度和加速度的基本方法

1）通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來測量速度和加速度，通過紙帶處理運(yùn)算找出相應(yīng)的速度。再通過逐差法算出加速度。

2）運(yùn)用光電門測速度，認(rèn)為通過光電門時(shí)的速度為勻速，測量在擋光片時(shí)的瞬時(shí)速度來代替平均速度。通過測量擋光片遮擋光的時(shí)間，和擋光片的寬度，運(yùn)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(yùn)動(dòng)學(xué)的公式來計(jì)算，處理方法同打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。

4）利用平拋運(yùn)動(dòng)測速度，根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)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(duì)其本質(zhì)的深入研究所揭示的電、磁場之間的聯(lián)系，對(duì)麥克斯韋電磁場理論的建立具有重大意義。

動(dòng)生電動(dòng)勢是因?yàn)閷?dǎo)體自身在磁場中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢，其方向用右手定則判斷。使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直并且都跟手掌在一個(gè)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(yùn)動(dòng)的方向，則其余四指指向動(dòng)生電動(dòng)勢的方向。動(dòng)生電動(dòng)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(dòng)生電動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中的電子隨導(dǎo)體儀器運(yùn)動(dòng)，受洛倫茲力的一個(gè)分力的作用，使電子定向移動(dòng)形成電流。

動(dòng)生電動(dòng)勢E=BLv，由歐姆定律：將上式化簡、變形可得：當(dāng)然，這只能將此公式運(yùn)用到勻強(qiáng)磁場中，那么如何制造勻強(qiáng)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(jì)。當(dāng)然，如果用永久磁鐵要認(rèn)為永久磁鐵產(chǎn)生的磁場是勻強(qiáng)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(shí)之一。那么，如何運(yùn)用這一原理制造勻強(qiáng)磁場呢？我們首先想到的應(yīng)該是螺線管。我們認(rèn)為螺線管內(nèi)部的磁場為勻強(qiáng)磁場，整個(gè)裝置可運(yùn)用螺線管制作勻強(qiáng)磁場。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置分為以下幾個(gè)部分：滑塊，滑塊所在的軌道，螺線管，恒定電源，單片機(jī)，鋁線，導(dǎo)線（圖1）。小滑塊沿軌道滑動(dòng)，當(dāng)穿過螺線管時(shí)，認(rèn)為螺線管內(nèi)部為勻強(qiáng)磁場，導(dǎo)線切割磁感線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，讓單片機(jī)記錄最大的感應(yīng)電流，通過，來進(jìn)行電流與速度之間的轉(zhuǎn)換。計(jì)算加速度時(shí)，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(shí)驗(yàn)裝置可以由學(xué)生動(dòng)手制作。其中，螺線管可以用硬質(zhì)鐵絲纏繞，在纏繞的時(shí)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(qiáng)度相同。單片機(jī)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(duì)今后繼續(xù)學(xué)物理的興趣和合作能力。對(duì)于學(xué)校相對(duì)偏遠(yuǎn)的地區(qū)（周圍很難找到高校），可用電流計(jì)代替單片機(jī)，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(shí)驗(yàn)的成功還離不開學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備。比如說：為何螺線管內(nèi)部可以看作勻強(qiáng)磁場？怎樣運(yùn)用電生磁，電磁感應(yīng)？怎樣將電流轉(zhuǎn)化為速度？運(yùn)用速度怎樣求解加速度？等等。所以，學(xué)生要做好這一實(shí)驗(yàn)，就必須下功夫整理好相應(yīng)知識(shí)。

4 儀器的調(diào)試與定標(biāo)

4.1 儀器的調(diào)整與平衡摩擦力

按照原理圖將實(shí)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(gè)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(dòng)，從單片機(jī)上讀出小滑塊通過兩螺線管之間的速度。對(duì)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(yùn)動(dòng)。

4.2 單片機(jī)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(qiáng)度：可直接有相應(yīng)的儀器測量出磁感應(yīng)強(qiáng)度。

4）接通螺線管電池的電動(dòng)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(dá)科技有限公司生產(chǎn)的內(nèi)核為MCS51，型號(hào)為 STC12C5A60S2-35I-PDIP40的單片機(jī)。

4.4 “電磁法測速度和加速度”與“打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測速度和加速度”對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與傳統(tǒng)測速度的方法所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比仍存在一些偏差。由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所計(jì)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(shí)的誤差，計(jì)算時(shí)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(qiáng)度以及單片機(jī)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(gè)定值3 V，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.002 T，若單片機(jī)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(jī)和提供螺線管的電源來改變儀器的測量范圍。

5 實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)用于中學(xué)教學(xué)

將此實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)用到實(shí)際。實(shí)驗(yàn)對(duì)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(jì)算機(jī)、單片機(jī)、導(dǎo)軌、小車、蓄電池、導(dǎo)線、鋁線、銅線等實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀器。其中，電信專業(yè)的學(xué)生主要負(fù)責(zé)單片機(jī)的制作與調(diào)試，黃岡中學(xué)的學(xué)生負(fù)責(zé)其他部分的制作，最后相互合作將實(shí)驗(yàn)裝置組拼起來。

四個(gè)小組形成鮮明的對(duì)比，自己動(dòng)手制作的學(xué)生，無論在動(dòng)手能力還是在構(gòu)建物理知識(shí)體系上遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比沒有動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的學(xué)生的能力要強(qiáng)，而且對(duì)物理產(chǎn)生了濃厚的興趣。

6 結(jié) 論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)最后的效果可以看出，此實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)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(shí)進(jìn)行運(yùn)用，不僅要讓學(xué)生學(xué)到知識(shí)，更重要的是發(fā)展學(xué)生的智力，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)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)。

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（欄目編輯 王柏廬）