你不知道的U 形磁体磁场

石家庄市第二十七中学 杨庚明

这是一个利用“电磁感应”原理，探究U形磁体磁场分布的探究活动。用到的实验仪器有Dobot机械臂、朗威数字化信息系统等。此活动不仅找到了一种探究磁体磁场分布的新方法，更重要的是首次将“机器人活动”与“物理探究活动”有机结合在了一起，拓展了机器人活动领域，提升了学生物理核心素养。

我们知道，当闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时会产生感应电流。感应电流的大小与哪些因素有关，是我们一直计划组织学生来探究的问题，因为“电磁感应”是中学物理中重要的一个知识点。但要想完成这个计划，有两个关键技术必须得到解决：一是导体必须能匀速直线运动。这个问题随着去年我校引进了两台Dobot机械臂（如图1 所示）而得以解决。此机械臂可夹取物体在一定范围内沿任意方向做匀速直线运动，其速度也可以在一定范围内任意调节。第二个问题是找一个匀强磁场（磁场大小处处相等，磁场方向处处不变）。在初中和高中的物理课本中一说到匀强磁场，一般都会提到U 形磁体（也叫做马蹄形磁体）中部是一个匀强磁场（如图2所示）。我们也采用了这个方案，可就是这样一个被绝大多数物理老师认为没有问题的问题，却给我们带来了众多的问题。

图1

图2

当我们将机械臂调节好，让它夹取一个导体匀速垂直切割U 形磁体中部磁感线时，本应得到一条水平电流图像，但得到的实际图像却是这样（如图3所示）。无论我们如何改变导体的运动速度、方向，更换不同的U形磁体等等，都没有得到我们想要的结果。就在我们一筹莫展时，一位同学提出：是不是U 形磁体中部根本就不是匀强磁场。一语惊醒梦中人，这句话合理地解释了我们以前所有的实验图像。那U 形磁体中部磁场又是什么样子的呢？U形磁体其他位置的磁场又和书本上描述的一致吗？我们决定通过一次将“机器人”与“物理教学”相结合的探究活动来解决这些疑问。

一、实验原理

如图4 所示，根据电磁感应原理，当闭合电路的一部分导体ab切割磁感线时会产生电压E，其大小为E=BLv，其中B表示磁场大小，L为闭合电路在磁场中的有效长度，v为导体垂直磁场方向移动的速度。若整个电路的电阻为R，根据欧姆定律E=IR,可以得到感应电流若在整个实验中保持R、v、I不变，则感应电流的大小与磁感应强度成正比，即I=KB。若测出感应电流的变化情况，即可知道磁体的磁场情况。

图3

图4

二、实验器材

如图5 所示，Dobot 机械臂1台、U形磁体1个、相同的条形磁体2 个、导体1 个、（朗威数字化信息系统实验室）微小电流传感器1个、（朗威数字化信息系统实验室）数字信号采集器1个、计算机2台、导线若干。

图5

三、实验步骤

1.如图5所示，连接整个装置。

2.让机械臂夹取导体ab沿着磁体不同方向、不同位置（垂直切割磁感线）匀速运动。

3.在导体ab移动同时，利用微小电流传感器、数字信号采集器、计算机等器材记录感应电流大小及其变化情况。

4.在计算机上，利用相关软件画出电流变化图像。

5.分析电流变化情况，得出磁体磁场情况。

四、实验图像与初步分析

1.如图6 下半幅图所示，我们让导体ab垂直纸面并匀速向右运动，感应电流随导体位置变化情况如图6上半幅图所示。

我们发现：感应电流开始最小，然后逐渐变大，但变化不均匀。这反映出此U 形磁体内部磁场并不是匀强磁场。

图6

2.如图7 甲右半幅图所示，我们让导体ab平行于纸面匀速向上运动，感应电流随导体位置变化情况如图7甲左半幅图所示。图7乙为实验现场图像。

我们发现：开始时，负方向的感应电流很大，在图7乙所示的虚线（中间）位置时最小，然后感应电流又（向相反方向）逐渐变大，但变化不均匀，对称位置的感应电流大小基本相等。这反映出此U 形磁体两端磁极基本对称。

图7 甲

图7 乙

3.如图8 甲下半幅图所示，我们让导体ab平行于纸面匀速向右运动，感应电流随导体位置变化情况如图8甲上半幅图所示。图8乙为实验现场图像。

我们发现：感应电流开始逐渐变大然后变小，在图8 甲所示的中间（虚线）位置时最小，然后感应电流又（向相反方向）逐渐变大后又变小，对称位置的感应电流大小基本相等。这反映出此U 形磁体在这个方向上磁场大小基本对称。

图8 甲

图8 乙

五、实验结论

1.此U形磁铁内部并不是匀强磁场，只在很小的范围内可近似看作匀强磁场。

2.U形磁铁外部磁场磁感应强度分布大致基本对称，但分布情况比课本上描述的要复杂。

图9

六、实验说明

1.以上实验中导体ab移动速度为1厘米/秒，采集数据时间为每0.005秒采集数据一次，共采集600个数据。

2.理论上讲，导体ab开始移动的同时，微小电流传感器和数字信号采集器也应同时开始收集实验数据。但在实际操作中，这两项工作是由两位同学分别完成的，很难做到绝对同步。实验后，我们在原始数据图像的基础上截取我们认为有用的图像。因此，图像的选取有主观性（原始数据图像见图9，但我们经过分析只选取了如图10 所示的一部分）。目前我们正在改进实验，让数据采集和导体运动做到绝对同步进行，使得实验数据与图像更具客观性。

3.导体的运动速度不同、数据采集时间的不同等因素对实验有什么影响还在实践探索中。

七、总结

我们通过这次探究活动，找到了一种探究磁体磁场分布的新方法。以往我们是利用磁感应强度仪，其原理是测量磁敏电阻在不同磁场下的阻值。而本实验是通过测量感应电流来探究磁感应强度，这更适用于中学情况。

图10