周凱瑜

摘 要：物理實(shí)驗(yàn)有助于我們高中生理解公式定義，促進(jìn)對有關(guān)題型的掌握能力，尤其是電磁的學(xué)習(xí)，更應(yīng)加強(qiáng)對其實(shí)驗(yàn)的力度?；诖耍P者根據(jù)個(gè)人學(xué)習(xí)興趣，通過收集相關(guān)文獻(xiàn)資料，對電磁波感應(yīng)實(shí)驗(yàn)、電磁阻尼擺實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探討，希望通過本文，能給與同學(xué)們一些啟示，共同進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：高中；物理；電磁；實(shí)驗(yàn)

法拉第電磁感應(yīng)定律是高中物理電磁學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容，我們從物理教材中可以得知，常見的定性實(shí)驗(yàn)不能進(jìn)行進(jìn)一步的探究，并會限于我們對其的理解與拓展，因此這就需全面理解電磁知識，并通過各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加深我們對知識的理解。

1 電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)

充磁器是一種快速飽和充磁設(shè)備，也是一種多種用途器材，它的作用就是給磁鐵上磁，同時(shí)由于磁鐵在剛生產(chǎn)出時(shí)并不具備磁性，且必須通過充磁器充磁后才能帶磁（如圖1所示，K：電源開關(guān)；L：電源指示燈；C：充磁孔；N：極），由于充磁器結(jié)構(gòu)上的原因，老師告訴我們每次實(shí)驗(yàn)的通電時(shí)間應(yīng)不超過幾秒鐘，否則升溫過快會損壞充磁器。具體內(nèi)容為：首先將合適的U形軟鐵棒套上事先繞上的兩組不同匝數(shù)線圈的紙筒，線圈匝數(shù)分別為n1和n2（n2>n1），然后插入充磁孔內(nèi)固定，如圖2所示，之后接通充磁器電源，從實(shí)驗(yàn)可得知，連在匝數(shù)線圈為n2上的演示電表V2指針擺幅較大，而這也就說明感應(yīng)電動勢和線圈匝數(shù)n成正比關(guān)系E n。其次將合適的軟鐵棒放入充磁孔內(nèi)，讓連有演示電表V1（或V2）的線圈n1（或n2）分別快速、慢速穿入軟鐵棒，從實(shí)驗(yàn)得知，演示電表指針擺動幅度大些（小些），說明感應(yīng)電動勢與閉合線圈內(nèi)磁通量的變化率成正比關(guān)系E∝ΔΦ/Δt。

其中，1：充磁器；2：紙筒；3、4：0形軟鐵棒；5、6：多用表；7、8：匝數(shù)，分別為n1和n2的線圈；E：感應(yīng)電動勢（V）；n：感應(yīng)線圈匝數(shù)；△Φ/△t：磁通量的變化率。

另外通過仿真實(shí)驗(yàn)，也可為我們提供真實(shí)的操作界面，而仿真實(shí)驗(yàn)意味創(chuàng)造一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，其中每個(gè)可視化仿真物體代表一種實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備，通過操作這些虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備進(jìn)行各種復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，可達(dá)到理想實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)要求和目的，但此種方法據(jù)筆者自身經(jīng)驗(yàn)來看，需要學(xué)校提供實(shí)驗(yàn)支持，不宜我們在日常實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中進(jìn)行。

2 電磁阻尼振蕩實(shí)驗(yàn)

從學(xué)習(xí)中我們可得知，當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動時(shí)，感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力的作用，隨之安培力的方向總是會阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動，而這種現(xiàn)象就被稱之為電磁阻尼，同時(shí)這一現(xiàn)象也可用楞次定律解釋，即閉合導(dǎo)體與磁體發(fā)生切割磁感線的運(yùn)動，由于閉合導(dǎo)體所穿透的磁通量發(fā)生變化，閉合導(dǎo)體會產(chǎn)生感應(yīng)電流，而這一電流產(chǎn)生的磁場會阻礙兩者的運(yùn)動，其阻力大小正比等于磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度和導(dǎo)體與磁體之間的相對運(yùn)動速度。

2.1 實(shí)驗(yàn)中存在的問題

根據(jù)筆者所在學(xué)校的情況來看，關(guān)于電磁阻尼振蕩的演示實(shí)驗(yàn)較少，而筆者朋友所在的的中學(xué)雖然條件較好，但也只是用J2434型電磁振蕩演示儀配上大型演示電表J0402來查看電表指針的減幅擺動，雖然看到了減幅振蕩電流現(xiàn)象，但他表示未真正觀察到減幅振蕩波形圖像，同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)時(shí)振蕩的起始電流較大（約3～6mA），大型演示電表的阻尼也較大，往往只看到電表指針彈擊止動柱（或超過電表最大刻度）后，擺動幾次就停止了，而這與用干電池加接一個(gè)電阻后，直接碰觸一下電表兩接線柱所產(chǎn)生的效果相差不大，但在試驗(yàn)中筆者在實(shí)驗(yàn)室改接于示波器后，在其光屏上更無法觀察到減幅振蕩圖像，并且由于大電感較為笨重，電解電容器因易受潮而會產(chǎn)生漏電，甚至失效，因此需經(jīng)常保養(yǎng)維護(hù)甚至更換，演示面板安置也不便。由上所述，目前實(shí)驗(yàn)演示效果不令人滿意，問題亟待解決，因此筆者根據(jù)老師建議，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了如下補(bǔ)充：

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）角度解算；在將傳感器固定到金屬擺上時(shí)，應(yīng)使y軸的正向與地面垂直，x軸的正向與地面平行，z軸的方向由右手螺旋定則確定。加速度計(jì)利用重力矢量及其在坐標(biāo)軸上的投影來確定傾斜角度，同時(shí)也可利用基本三角恒等式來計(jì)算俯仰角，如等式①所示：

①

其中：θ是當(dāng)前時(shí)刻加速度y軸與豎直面之間的夾角，即金屬擺轉(zhuǎn)角；ax是重力加速度在x軸上的分量；ay是重力加速度在y軸上的分量；az是重力加速度在z軸上的分量。

（2）數(shù)據(jù)處理；為驗(yàn)證導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動會受到電磁阻尼，故進(jìn)行對比試驗(yàn)，具體為：將實(shí)驗(yàn)分為加載電磁阻尼和不加載電磁阻尼兩種，在試驗(yàn)時(shí)令金屬擺的釋放角度一致，控制唯一變量，即電磁阻尼，并要排除其它變量的干擾，從而起到驗(yàn)證唯一變量的作用。其次由于筆者學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)支架的安裝誤差，以及MPU6050傳感器的安裝誤差，會導(dǎo)致在金屬擺處于靜止時(shí)的轉(zhuǎn)角非零，所以采取老師的建議，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，系統(tǒng)中采用軟件的方法對初始誤差進(jìn)行校正，校正算法如公式②所示。

②

式中， θ為金屬擺轉(zhuǎn)角， θi為第i個(gè)采樣點(diǎn)的金屬擺轉(zhuǎn)角，通過觀察金屬擺轉(zhuǎn)角可以看出，兩次釋放的初始轉(zhuǎn)角均為78°，并且不加載電磁阻尼的金屬擺在擺動15次之后，轉(zhuǎn)角的幅值才降到10°以下，而加載電磁阻尼的金屬擺僅擺動6 次之后，轉(zhuǎn)角的幅值已降到 10°以下，因此可得知：加載電磁阻尼的金屬擺會很快在電磁阻尼的作用下停止擺動，同時(shí)反映出當(dāng)閉合導(dǎo)體與磁極發(fā)生相對運(yùn)動時(shí)，兩者之間會產(chǎn)生電磁阻力，阻礙相對運(yùn)動的現(xiàn)象，而這也是電子技術(shù)在物理試驗(yàn)中的應(yīng)用，可以提高我們對電子技術(shù)和物理實(shí)驗(yàn)的興趣。

3 總結(jié)

總之，高中物理實(shí)驗(yàn)是一門基礎(chǔ)課程，筆者通過對電磁實(shí)驗(yàn)知識的探討和摸索，提高了對學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新實(shí)踐能力，因此建議大家在老師的指導(dǎo)下，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)與動手能力，積極轉(zhuǎn)變態(tài)度，以嶄新的姿態(tài)和面貌迎接物理學(xué)科帶給我們新的變化和挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：

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