驗(yàn)證感生電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究

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1引言

在“感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)”一節(jié)中，人教版高中物理選修3-2教材在提出了“磁場(chǎng)變化時(shí)產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，哪一種作用扮演了非靜電力的角色？”問題之后，就直接給出了物理學(xué)家麥克斯韋的結(jié)論:磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)在空間激發(fā)一種電場(chǎng)———感生電場(chǎng)［1］。以教師視角看，盡管結(jié)論非常直接，但卻容易使正處于思維發(fā)散狀態(tài)下的學(xué)生感到結(jié)論下得既突然又武斷，同時(shí)也不利于學(xué)生探究能力的培養(yǎng)，難以讓人信服。為此，筆者設(shè)計(jì)了驗(yàn)證感生電場(chǎng)存在的實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐證明，該實(shí)驗(yàn)既達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生能力的目的，又能增強(qiáng)教學(xué)效果。

2設(shè)計(jì)思路及實(shí)驗(yàn)器材

2.1設(shè)計(jì)思路。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能獲得較強(qiáng)、持續(xù)的變化磁場(chǎng)，并找到一個(gè)帶電粒子；在受力作用下，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，若改變的原因能排除是洛侖茲力，則只能是磁場(chǎng)變化時(shí)產(chǎn)生的作用力，即感生電場(chǎng)的作用力。2.2實(shí)驗(yàn)器材。FB201-Ⅰ型交變磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀、FB201-Ⅱ型交變磁場(chǎng)測(cè)試儀、陰極射線管、高壓電源、導(dǎo)線。FB201-Ⅰ型交變磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀是集信號(hào)發(fā)生、信號(hào)感應(yīng)、測(cè)量于一體的多用途教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，它可以在亥姆霍茲線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)。經(jīng)理論計(jì)算證明，給亥姆霍茲線圈通入同方向的電流，則兩個(gè)線圈的合磁場(chǎng)在軸上(兩線圈圓心連線）附近較大范圍內(nèi)呈均勻分布狀態(tài)［2］。磁場(chǎng)的分布如圖1所示，其中x為軸上某一點(diǎn)到線圈圓心O′的距離，由于通過亥姆霍茲線圈的電流是交變電流，沿兩個(gè)線圈軸線方向產(chǎn)生的是均勻交變磁場(chǎng)，具有強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間可人為確定、便于控制的優(yōu)點(diǎn)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度約為1.0×10-3T。FB201-Ⅱ型交變磁場(chǎng)測(cè)試儀作為信號(hào)源，其激勵(lì)信號(hào)的頻率、輸出強(qiáng)度均連續(xù)可調(diào)，信號(hào)頻率可調(diào)范圍是30～200Hz，分辨率為0.1Hz。亥姆霍茲線圈允許的最大電流是1A(50Hz），每個(gè)線圈共為400匝，線圈等效半徑為105mm。帶電粒子由正常工作時(shí)的陰極射線管產(chǎn)生，可通過打到熒光板上發(fā)出的淺綠色徑跡顯示粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3驗(yàn)證原理

將陰極射線管帶電粒子徑跡方向沿亥姆霍茲線圈圓心連線方向放置，此時(shí)帶電粒子運(yùn)動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)方向，不會(huì)受到洛侖茲力的作用，則帶電粒子是直線徑跡，表明沒有感生電場(chǎng)產(chǎn)生；保持陰極射線管帶電粒子徑跡方向沿亥姆霍茲線圈圓心連線方向放置方式不變，給線圈通入交變電流，此時(shí)沿兩個(gè)線圈軸線方向產(chǎn)生均勻的交變磁場(chǎng)，則帶電粒子的徑跡有規(guī)律地向著兩個(gè)相反方向偏轉(zhuǎn)，表明磁場(chǎng)發(fā)生變化并使電荷受到作用力（即感生電場(chǎng)的作用力），說明有感生電場(chǎng)存在。

4實(shí)驗(yàn)方法

（1）用導(dǎo)線將陰極射線管和高壓電源連接起來，把Ⅰ型交變磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀和Ⅱ型交變磁場(chǎng)測(cè)試儀按照?qǐng)D2所示加以連接。（2）調(diào)節(jié)高壓電源的輸出電壓，保證陰極射線管正常工作，調(diào)整陰極射線管并使帶電粒子直線徑跡方向與亥姆霍茲線圈軸線方向平行放置，適當(dāng)遠(yuǎn)離連線，實(shí)驗(yàn)裝置照片如圖3所示。（3）保持陰極射線管和亥姆霍茲線圈放置方向不變，打開交變磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置開關(guān)，給線圈通入交變電流，觀察到帶電粒子的徑跡有規(guī)律地向著兩個(gè)相反方向偏轉(zhuǎn)。（4）改變Ⅱ型交變磁場(chǎng)測(cè)試儀輸出的交變電流信號(hào)的頻率，觀察到帶電粒子的徑跡在向兩個(gè)相反方向偏轉(zhuǎn)時(shí)存在快慢不同的現(xiàn)象。為使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加清晰，可視度更好，可以采取減少室內(nèi)采光的措施，以便利用實(shí)物投影儀將裝置的主要部分投影到大屏幕上。

5結(jié)語

感生電場(chǎng)存在的實(shí)驗(yàn)很少能在大學(xué)、中學(xué)教材或期刊雜志中見到，其原因是極不容易獲得較強(qiáng)、持續(xù)的感生電場(chǎng)；而赫茲實(shí)驗(yàn)雖然能夠驗(yàn)證感生電場(chǎng)的存在，但卻較難做，且說服力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。筆者所設(shè)計(jì)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為不同功能儀器的組合實(shí)驗(yàn)，利用亥姆霍茲線圈的交變磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子作用的效果來研究感生電場(chǎng)的存在，直接將抽象的問題直觀化、抽象的概念形象化，效果明顯，能充分說明問題，易于被學(xué)生所探究和認(rèn)識(shí)。FB201交變磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的“心臟”，它所產(chǎn)生的是強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間便于人為控制的均勻交變磁場(chǎng)，即調(diào)整帶電粒子直線徑跡方向與亥姆霍茲線圈圓心連線方向平行放置（即帶電粒子運(yùn)動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)方向），是保證該實(shí)驗(yàn)效度和信度的關(guān)鍵。

作者:李斌 單位:漣源市第一中學(xué)

參考文獻(xiàn)

［1］張大昌，彭前程，張維善.普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理(選修3-2）[M].北京:人民教育出版社，2004.

［2］梁燦彬，秦光戎，梁竹健.電磁學(xué)[M].北京:高等教育出版社，1980.