ＤＩＳ磁學探究性實驗二例

摘要：通過兩個DIS磁學探究性實驗設計，揭示了DIS實驗系統對物理實驗教學變革的重要作用。

關鍵詞：DIS；地磁場矢量；磁力勢能

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1003-6148(2008)1(S)-0007-3

DIS(Digital Information System)實驗系統是傳統物理實驗測量工具和數據處理方法的革命。定量、精確、快速是DIS實驗系統的優勢，傳統實驗技能是DIS實驗的基礎，傳統實驗和數字化實驗的整合代表了新物理實驗改革的方向。隨著DIS實驗系統在物理實驗教學中的廣泛應用，使得很多原來無法讓學生看明白的物理現象可以清楚的展現在學生面前，使得很多抽象的物理原理可以通過DIS實驗進行探究。

1 地磁場矢量性研究實驗

實驗背景：地磁場比較弱并且一般情況下由地磁場引起的感應電流很小，普通的靈敏電流計也無法測量出來，但在“DIS”物理實驗中，我們就能很容易觀察到單匝線圈在地磁場中轉動時產生的感應電流，原因是利用了具有很高靈敏度的電流傳感器。那么，我們能否運用磁傳感器來進行地磁場矢量性研究呢？在自主探究中我們發現改變磁傳感器的位置和方向，可以測到磁感應強度的明顯變化，但是，磁傳感器測到的永遠是某一方向上磁感應強度的大小，它不能測出任何一點磁感應強度的大小，并且磁傳感器顯示的值，根據選取的零點不同而不同，就好像電勢和重力勢能，選擇的零點不同，測出的大小也不同。下面我們先觀察圖1中地球周圍的磁場和磁南極、磁北極與地理的北極、南極之間的關系，根據圖示，畫出自己所在位置地磁的矢量圖（如圖2）。

把地球看作一個磁體，地球在地面上某點產生的磁感應強度可分解為水平和豎直兩個方向。在水平面，磁場方向由南指向北，即指南針所指的方向。地磁場在豎直方向也有分量，且豎直向下，如圖2所示。地磁究竟有多大，它的矢量性表現在哪里？我們需要通過實驗來測量、證明。因此，實驗的目的是：測量地磁場不同方向上的分量及地磁場與水平方向的夾角等等，然后進行研究方案和實驗步驟的確定。

討論方案：

（1）測量地點的選擇：必須選擇一個周圍沒有鐵磁金屬物體和強磁場的區域，在無外界干擾的情況下進行測量。

（2）測量方法的探討：地磁場隨著位置的改變而改變，用試探法確定一個固定點，研究不同方向的地磁場分量。

實驗步驟：

（1）用水平儀調整支架，位置低的點用小紙片墊平。

（2）拿一張紙，沿橫、豎兩個方向對折，確定一個原點。確定原點的位置后，固定該紙張。將一小磁針放于該原點，確定地磁場的大概方向。過此原點做沿著磁場方向的直線和垂直于磁場方向的直線（如圖3）。

（3）如圖4所示，將磁傳感器中心對準原點，測量不同方向的磁感應強度。記錄傳感器顯示最大和最小數據的方向。

（4）根據測得的數據，設置如圖5界面，以顯示最小數據的方向，設置零點，改變磁傳感器方向，測出水平面內不同方向上和豎直方向上磁感應強度大小。

實驗中發現的問題及解決辦法

（1）由于傳感器的特殊性，會發生零點微偏，測數據前先要進行調零，每次測量必須在同一點調零。

（2）由于傳感器的靈敏度為0.0025mT，數據呈跳躍式變化，因此要增大數據采集數量，取其平均值進行比較。

（3）為了減小實驗誤差，在同一方向進行正反兩次測量。該方向的磁感應強度取B=B正-B反2

（4）磁傳感器中心不可能和所選的原點完全重合，在測量豎直方向的磁場時，由于裝置的限制性，只能測到豎直向下的磁感應強度。由于支架上有銅導線，2+（見圖5）方向的磁感應強度也測不到。

實驗結果（表1）：單位（mT）

從地磁場矢量性研究試驗可以看出，DIS實驗系統使得很多原來無法讓學生看明白的物理現象可以清楚地展現在學生面前。DIS實驗系統不僅提供了創新的環境，拓展了思維，而且將以前無法探知的物理規律也可以通過DIS進行探究實驗，給物理實驗教學帶來了新變革。

2 磁力勢能測量實驗

實驗背景及實驗目的：開發更多的DIS實驗以解決物理教學中的難點實驗，積極引導學生創造性的探索，充分發揮學生學習的主體性，是實現“以人為本”教學理念的重要途徑之一。比如：磁相互作用形成的磁力勢能^[1]（以下簡稱磁力勢能），在高中物理知識中并沒有提到過，如何研究并測量磁力勢能就是難點實驗之一。因為磁力勢能比較抽象，以前很難直觀的展現和測量，如何測量磁力勢能呢？我們仔細觀察動量守恒實驗裝置，為了防止小車滑出軌道，在軌道末端放置一個磁極，小車上也安裝有同樣大小的磁極，這樣小車在運動到軌道末端時，由于受到磁力作用，會改變運動方向。實質上是小車速度先減小為0，后又加速為v。小車受到的磁力隨著距離的變化而變化，超出一定范圍后，幾乎為零。從能量守恒的角度看，在小車運動到末端點的過程中，小車的動能轉化為磁力勢能，小車離開末端點的過程中，磁勢能轉化為動能。

實驗設計：磁力勢能的測量

由以上分析，如果能知道小車運動的動能變化，就可以知道磁力勢能的大小。但人為施加初始動能的值是無法恒定的，且實驗重復性差，用光電門測量速度可行，但是要想采集多個數據，光電門需要很多，不現實。如果用位移傳感器，最好能采用一定的措施，小車的初動能變成一個可控制的量。我們先后采用彈簧進行實驗，裝置如圖6，由彈性勢能轉化為動能，這樣設計實驗可以增加實驗的控制力度，但實驗采集到的數據點太少，小車運動三、四個周期就停止了，依然不能測到磁勢能隨距離變化圖線，原因是摩擦力存在，小車的初動能太小，壓縮彈簧形變太大時，小車容易出軌。最終確定方案為：將導軌傾斜，讓小車在一個斜面上運動，實驗裝置如圖7，斜面傾角為θ，每次實驗都讓小車從距離磁末端點0.5m處由靜止向斜下方滑行，用位移傳感器記錄小車到傳感器接收端的最遠點距離S1和最近點距離S2，小車長為0.168m，小車滑到接近磁末端點時，速度變為零，動能為零，這時磁力勢能的增加是以重力勢能的減少為代價的，則重力勢能減少了mg(s1-s2)sinθ，它在數值上等于此刻兩磁體相距距離為X所具有的磁力勢能。而后磁力勢能又轉化為動能，小車沿斜面向上運動，就這樣小車在斜面上往返運動。如果傳感器記錄小車靜止釋放時的初始位置為S21，則X=S21+0.5-0.168-S1，因為在同一個實驗中S21的測量值是定值，所以X只隨S1的改變而改變。這樣便可以得到磁力勢能U隨磁極間距離X變化的關系曲線。實驗圖線如圖8和圖9：

實驗結果：磁勢能隨距離變化曲線和擬合函數如圖10：

實驗中存在的問題及思考：

（1）在測量磁勢能時，不能具體確定超聲波在小車上的反射位置，所以磁勢能的測量存在系統誤差。

（2）位移傳感器能調到的最佳狀態是顯示數字差不超過1mm，但是一般很難調到這種狀態，一般情況下同一位置顯示數字差距在2-4mm，位移傳感器記錄的是小車在運動過程中的瞬時狀態，對于這種瞬時顯示數字的不確定性只能采取多次測量取平均值的方法。

（3）在測量磁勢能時，要設法固定磁端點不動，采取墊紙片等方法，本實驗選擇在傾角3°的斜面上測量。

通過磁力勢能的測量實驗，我們看到DIS實驗系統給學生提供了多視角、多方位的研究平臺，可以使學生運用已學的物理規律對新的物理現象進行多視覺感悟，有利于學生去把握研究問題的主要特征，有利于解決教學中的難點實驗。利用DIS實驗系統進行實驗探究，促進學生思維方式、學習方式的改變。因此，DIS能帶來更高層次的思維能力培養和創新發現。

3 結束語

DIS實驗系統對物理課程的教學模式和教學理念都將產生深遠的影響，同時DIS的應用與培養學生創造性思維聯系密切。相信在未來的物理實驗教學中，我們會更好的利用DIS資源，真正發揮DIS的優勢，不斷促進學生創造性思維能力的培養。

參考文獻：

［1］凌肇元主編.氣墊導軌上的物理實驗.科學普及出版社，1983：P171~P181

(欄目編輯 趙保鋼)

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”