基于物理電磁實驗的有關探討

周凱瑜

摘 要：物理實驗有助于我們高中生理解公式定義，促進對有關題型的掌握能力，尤其是電磁的學習，更應加強對其實驗的力度。基于此，筆者根據個人學習興趣，通過收集相關文獻資料，對電磁波感應實驗、電磁阻尼擺實驗進行了探討，希望通過本文，能給與同學們一些啟示，共同進步。

關鍵詞：高中；物理；電磁；實驗

法拉第電磁感應定律是高中物理電磁學中的一個重要內容，我們從物理教材中可以得知，常見的定性實驗不能進行進一步的探究，并會限于我們對其的理解與拓展，因此這就需全面理解電磁知識，并通過各項實驗數據加深我們對知識的理解。

1 電磁感應實驗

充磁器是一種快速飽和充磁設備，也是一種多種用途器材，它的作用就是給磁鐵上磁，同時由于磁鐵在剛生產出時并不具備磁性，且必須通過充磁器充磁后才能帶磁（如圖1所示，K：電源開關；L：電源指示燈；C：充磁孔；N：極），由于充磁器結構上的原因，老師告訴我們每次實驗的通電時間應不超過幾秒鐘，否則升溫過快會損壞充磁器。具體內容為：首先將合適的U形軟鐵棒套上事先繞上的兩組不同匝數線圈的紙筒，線圈匝數分別為n1和n2（n2>n1），然后插入充磁孔內固定，如圖2所示，之后接通充磁器電源，從實驗可得知，連在匝數線圈為n2上的演示電表V2指針擺幅較大，而這也就說明感應電動勢和線圈匝數n成正比關系E n。其次將合適的軟鐵棒放入充磁孔內，讓連有演示電表V1（或V2）的線圈n1（或n2）分別快速、慢速穿入軟鐵棒，從實驗得知，演示電表指針擺動幅度大些（小些），說明感應電動勢與閉合線圈內磁通量的變化率成正比關系E∝ΔΦ/Δt。

其中，1：充磁器；2：紙筒；3、4：0形軟鐵棒；5、6：多用表；7、8：匝數，分別為n1和n2的線圈；E：感應電動勢（V）；n：感應線圈匝數；△Φ/△t：磁通量的變化率。

另外通過仿真實驗，也可為我們提供真實的操作界面，而仿真實驗意味創造一個可視化的實驗環境，其中每個可視化仿真物體代表一種實驗儀器或設備，通過操作這些虛擬的實驗儀器或設備進行各種復雜的實驗，可達到理想實驗的學習要求和目的，但此種方法據筆者自身經驗來看，需要學校提供實驗支持，不宜我們在日常實驗學習中進行。

2 電磁阻尼振蕩實驗

從學習中我們可得知，當導體在磁場中運動時，感應電流會使導體受到安培力的作用，隨之安培力的方向總是會阻礙導體的運動，而這種現象就被稱之為電磁阻尼，同時這一現象也可用楞次定律解釋，即閉合導體與磁體發生切割磁感線的運動，由于閉合導體所穿透的磁通量發生變化，閉合導體會產生感應電流，而這一電流產生的磁場會阻礙兩者的運動，其阻力大小正比等于磁體的磁感應強度和導體與磁體之間的相對運動速度。

2.1 實驗中存在的問題

根據筆者所在學校的情況來看，關于電磁阻尼振蕩的演示實驗較少，而筆者朋友所在的的中學雖然條件較好，但也只是用J2434型電磁振蕩演示儀配上大型演示電表J0402來查看電表指針的減幅擺動，雖然看到了減幅振蕩電流現象，但他表示未真正觀察到減幅振蕩波形圖像，同時由于實驗時振蕩的起始電流較大（約3～6mA），大型演示電表的阻尼也較大，往往只看到電表指針彈擊止動柱（或超過電表最大刻度）后，擺動幾次就停止了，而這與用干電池加接一個電阻后，直接碰觸一下電表兩接線柱所產生的效果相差不大，但在試驗中筆者在實驗室改接于示波器后，在其光屏上更無法觀察到減幅振蕩圖像，并且由于大電感較為笨重，電解電容器因易受潮而會產生漏電，甚至失效，因此需經常保養維護甚至更換，演示面板安置也不便。由上所述，目前實驗演示效果不令人滿意，問題亟待解決，因此筆者根據老師建議，對實驗進行了如下補充：

2.2 實驗內容

（1）角度解算；在將傳感器固定到金屬擺上時，應使y軸的正向與地面垂直，x軸的正向與地面平行，z軸的方向由右手螺旋定則確定。加速度計利用重力矢量及其在坐標軸上的投影來確定傾斜角度，同時也可利用基本三角恒等式來計算俯仰角，如等式①所示：

①

其中：θ是當前時刻加速度y軸與豎直面之間的夾角，即金屬擺轉角；ax是重力加速度在x軸上的分量；ay是重力加速度在y軸上的分量；az是重力加速度在z軸上的分量。

（2）數據處理；為驗證導體在磁場中運動會受到電磁阻尼，故進行對比試驗，具體為：將實驗分為加載電磁阻尼和不加載電磁阻尼兩種，在試驗時令金屬擺的釋放角度一致，控制唯一變量，即電磁阻尼，并要排除其它變量的干擾，從而起到驗證唯一變量的作用。其次由于筆者學校實驗室的系統支架的安裝誤差，以及MPU6050傳感器的安裝誤差，會導致在金屬擺處于靜止時的轉角非零，所以采取老師的建議，對數據進行預處理，系統中采用軟件的方法對初始誤差進行校正，校正算法如公式②所示。

②

式中， θ為金屬擺轉角， θi為第i個采樣點的金屬擺轉角，通過觀察金屬擺轉角可以看出，兩次釋放的初始轉角均為78°，并且不加載電磁阻尼的金屬擺在擺動15次之后，轉角的幅值才降到10°以下，而加載電磁阻尼的金屬擺僅擺動6 次之后，轉角的幅值已降到 10°以下，因此可得知：加載電磁阻尼的金屬擺會很快在電磁阻尼的作用下停止擺動，同時反映出當閉合導體與磁極發生相對運動時，兩者之間會產生電磁阻力，阻礙相對運動的現象，而這也是電子技術在物理試驗中的應用，可以提高我們對電子技術和物理實驗的興趣。

3 總結

總之，高中物理實驗是一門基礎課程，筆者通過對電磁實驗知識的探討和摸索，提高了對學習的積極性和創新實踐能力，因此建議大家在老師的指導下，加強實驗與動手能力，積極轉變態度，以嶄新的姿態和面貌迎接物理學科帶給我們新的變化和挑戰。

參考文獻：

[1] 畢亮.可視化電磁屏蔽實驗[J].物理實驗，2017（01）.

[2] 趙娟榮.高中物理電磁學演示實驗改進的例說[J].科技展望，2016（26）endprint