电磁法测速度和加速度的研究

2015-09-12邓凡程涛刘亚楠张颖王頔

物理教学探讨 2015年8期

关键词：实验方法电磁感应

邓凡　程涛　刘亚楠　张颖　王頔

摘要：作者用创新实验进行电磁法测速度和加速度的研究。在经过相关公式，单机片编程和IC的运算后，速度可以在液晶显示屏展示出来，并且得到I-v之间的关系。

关键词：电磁感应；测速度和加速度；实验方法

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）8-0054-3

本文首先回顾中学物理实验中测速度和加速度的基本方法。然后提出并研究基于电磁感应原理来测量速度和加速度的方法。

1 中学物理实验测速度和加速度的基本方法

1）通过打点计时器来测量速度和加速度，通过纸带处理运算找出相应的速度。再通过逐差法算出加速度。

2）运用光电门测速度，认为通过光电门时的速度为匀速，测量在挡光片时的瞬时速度来代替平均速度。通过测量挡光片遮挡光的时间，和挡光片的宽度，运用算出速度，再根据两光电门之间的距离x，通过公式算出加速度a。

3）利用频闪照相测速度，利用频闪照片拍摄物体在不同地方的位置，再根据运动学的公式来计算，处理方法同打点计时器。

4）利用平抛运动测速度，根据平抛运动的规律来求出速度。

2 电磁感应现象

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化，对其本质的深入研究所揭示的电、磁场之间的联系，对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。

动生电动势是因为导体自身在磁场中做切割磁感线运动而产生的感应电动势，其方向用右手定则判断。使大拇指跟其余四个手指垂直并且都跟手掌在一个平面内，把右手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，大拇指指向导体运动的方向，则其余四指指向动生电动势的方向。动生电动势的方向与产生的感应电流的方向相同。右手定则确定的动生电动势的方向符合能量转化与守恒定律。

3 电磁法测速度、加速度的物理设想

闭合导体中的一部分与磁场发生相对运动，导体中的电子随导体仪器运动，受洛伦兹力的一个分力的作用，使电子定向移动形成电流。

动生电动势E=BLv，由欧姆定律：将上式化简、变形可得：当然，这只能将此公式运用到匀强磁场中，那么如何制造匀强磁场呢？

产生磁场的原因有以下几种方式：①通过永久磁体产生；②通过电磁感应中电生磁的原理来设计。当然，如果用永久磁铁要认为永久磁铁产生的磁场是匀强磁场，就需要足够大的磁场作为支撑。所以我们在这选取第2种方式②。

电生磁也是我们高中阶段必须掌握的重要知识之一。那么，如何运用这一原理制造匀强磁场呢？我们首先想到的应该是螺线管。我们认为螺线管内部的磁场为匀强磁场，整个装置可运用螺线管制作匀强磁场。

整个实验装置分为以下几个部分：滑块，滑块所在的轨道，螺线管，恒定电源，单片机，铝线，导线（图1）。小滑块沿轨道滑动，当穿过螺线管时，认为螺线管内部为匀强磁场，导线切割磁感线时，会产生感应电流，让单片机记录最大的感应电流，通过，来进行电流与速度之间的转换。计算加速度时，可以通过二螺线管之间的距离，和滑块通过两螺线管的速度通过公式

本实验装置可以由学生动手制作。其中，螺线管可以用硬质铁丝缠绕，在缠绕的时候要注意螺线管的匝数应该相同，而且连在同一电源之上，以保证两边产生的磁场强度相同。单片机可由高中学生和大学学生共同制作，在合作的过程中激发学生对今后继续学物理的兴趣和合作能力。对于学校相对偏远的地区（周围很难找到高校），可用电流计代替单片机，所以从仪器的制作到仪器的使用，完全体现以学生为主的思想。

另外，实验的成功还离不开学生的知识储备。比如说：为何螺线管内部可以看作匀强磁场？怎样运用电生磁，电磁感应？怎样将电流转化为速度？运用速度怎样求解加速度？等等。所以，学生要做好这一实验，就必须下功夫整理好相应知识。

4 仪器的调试与定标

4.1 仪器的调整与平衡摩擦力

按照原理图将实物图连接在一起，反复调节高度调节杆使滑块重力的一个分力刚好平衡摩擦力。另外，调节两螺线管的位置使其相隔一定距离L，让滑块从滑板上滑动，从单片机上读出小滑块通过两螺线管之间的速度。对比二速度，通过滑板上右边的调节旋钮，调节滑板的倾斜度，使之刚好做匀速直线运动。

4.2 单片机的编程

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）

}