法拉第电磁感应实验

法拉第电磁感应实验2023/4/121第1页，共24页，2023年，2月20日，星期一一、实验目的对法拉第电磁感应定律进行量化研究学习TeKtronix示波器应用探讨一种新的重力加速度测量方法2023/4/122第2页，共24页，2023年，2月20日，星期一 二、实验原理

将一根磁棒自由下落穿过线圈的中心，则线圈中产生感生电动势。由法拉第电磁感应定律可知感生电动势其中负号代表E的方向，其中N1－线圈匝数，R

－线圈半径，v－磁棒切割线圈的运动速度，B－磁棒的磁感应强度，它的典型E（t）曲线如右图2023/4/123第3页，共24页，2023年，2月20日，星期一

1.关于法拉第电磁感应定律的量化研究：对（1）（2）式进行一个简单的推导此时法拉第电磁感应定律可表示为

（3）其中

I是一个与磁棒磁场分布以及线圈尺寸有关的积分。当磁棒和线圈大小选定后，感生电动势与N1和v成正比。

2023/4/124第4页，共24页，2023年，2月20日，星期一同一磁棒以相同的高度自由落体穿过不同匝数线圈的感生电动势随时间变化的动态过程

分析感生电动势的幅度特性感生电动势与线圈匝数N成正比2023/4/125第5页，共24页，2023年，2月20日，星期一相同的磁棒以不同高度自由落体穿过同一线圈的感生电动势随时间变化的动态过程

分析感生电动势的幅度特性感生电动势与速度V成正比，也就是与磁通量的变化率dФ/dt成正比。2023/4/126第6页，共24页，2023年，2月20日，星期一

2.关于重力加速度测定的研究：让磁棒从一定高度自由落体穿过线圈，当磁棒切割线圈时，则磁极穿过线圈的时间为上式中，h为线圈中心距玻璃管口的高度，L为磁棒长度，d和为E最强时N极和S极离线圈中心的距离。在磁棒较长时，d和可忽略不计。

2023/4/127第7页，共24页，2023年，2月20日，星期一磁铁经过线圈示意图2023/4/128第8页，共24页，2023年，2月20日，星期一磁棒以一定的高度自由落体穿过线圈的感生电动势随时间变化过程的典型曲线分析感生电动势的时间特性测量两峰值间的时差很容易计算出重力加速度，当磁棒接近线圈时，线圈内开始有磁通量的变化，在图中感生电动势开始上升，当磁极接近线圈中心时达到最大值，当磁棒的另一极离开线圈中心时，感生电动势达到负的最大值，测量两峰值间的时差可近似为磁棒通过线圈中心的时间。BD2023/4/129第9页，共24页，2023年，2月20日，星期一三、实验仪器1、TeKtronix示波器

详细资料请参阅《综合与近代物理实验》P37—P56控制按钮触发控制区水平控制区垂直控制区菜单按钮电源按钮2023/4/1210第10页，共24页，2023年，2月20日，星期一2、电磁感应装置结构在一个线圈骨架上用AWG#35漆包线密绕80匝，并在20、30、40、50、60、70、80匝处抽头，制成一个多抽头的线圈。线圈骨架套在一个玻璃管上，可沿玻璃管自由滑动，并可固定在任何位置。用一磁棒从玻璃管口开始做自由落体运动。当它经过线圈时，在线圈中产生感生电动势。将待测线圈产生的信号接到数字示波器的信号端，利用数字存储示波器的单触发功能就可以观察并记录下感生电动势随时间变化的动态过程。松紧上下移动在作实验及移动线圈时，请小心用力，弄破玻璃管有人身伤害的可能性。2023/4/1211第11页，共24页，2023年，2月20日，星期一感应线圈详解公共端匝数选择端23mm23mm2023/4/1212第12页，共24页，2023年，2月20日，星期一四、实验内容及步骤1、请参阅《综合与近代物理实验》P37—P56，熟悉TeKtronix示波器。2、调节电磁感装置底脚螺丝使玻璃管垂直。调节器2023/4/1213第13页，共24页，2023年，2月20日，星期一

3、联线2023/4/1214第14页，共24页，2023年，2月20日，星期一

4、示波器设置、请不要过份教条，如显示为如下画面则不需设置。4、旋此钮4显示3、旋此钮3显示5、按此钮5显示1、按此键1显示开电源6显示6、旋此钮2、按此键2、显示2023/4/1215第15页，共24页，2023年，2月20日，星期一

5、将磁铁从玻璃管口自由落体，显示应如下如显示不是如此，请再按一次SINGLESEQ键，将磁铁反方向落下按此键进入单触发2023/4/1216第16页，共24页，2023年，2月20日，星期一

6、幅度数据测量1、按此键2、按这些键使显示如此将显示数据记入实验记录表2023/4/1217第17页，共24页，2023年，2月20日，星期一7、时间数据测量1、按此键移动光标1光标1两光标增量2、按此键选择时间移动光标2光标2将显示数据记入实验记录表2023/4/1218第18页，共24页，2023年，2月20日，星期一8、将线圈固定在某一高度，改变线圈匝数，重复测量。

9、将线圈固定在某一匝数，改变线圈高度，重复测量。在重复测量过程中，只需以下操作即可。3、测量幅度1、按此键，进入单触发2、将磁铁自由落体4、测量时间移动光标2023/4/1219第19页，共24页，2023年，2月20日，星期一五、实验记录表（1）N(匝)

Emax(mv)ΔE(mv)Emin(mv)Δt(ms)ΔE/ΔtEmax/N304050607080线圈高度固定，改变匝数数据记录H=2023/4/1220第20页，共24页，2023年，2月20日，星期一五、实验记录表（2）H(cm)

Emax(mv)ΔE(mv)Emin(mv)Δt(ms)ΔE/ΔtEmax/V线圈匝数固定，改变高度数据记录N=2023/4/1221第21页，共24页，2023年，2月20日，星期一六、数据处理用上表数据作图验证法拉第电磁感应定律。对上表数据作线性回归分析，说出a、b、r 的物理意义并计算磁棒两极的Imax值。计算重力加速度，你认为这种方法测重力加速度可行吗？线性回归分析请参阅《大学物理实验》P19—P20和《综合与近代物理实验》P2-P4、P14-P16

依格线性回归Ver2.50计算器

y=bx+a2023/4/1222第22页，共24页，2023年，2月20日，星期一七、思考题如果将玻璃管换成紫铜管，会发生什么现象？试解释之。磁棒磁极不对称对实验结果有影响吗？你能否判断磁极是否对称？总结您进行的工作2023/4/1223第23页，共24页，2023年，2月