电磁学实验研究报告.docx
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电磁学实验研究报告
电磁学实验研究报告
电磁部分几个重要实验
1）.演示左右手定则
实验要求：
所用仪器为75mm*75mm的方形线框，线框两端通过引线与接线柱连接。
线框电源用2V。
由蹄形磁铁提供磁场，当处在磁场中的线框通电后，就会因受力而摆动或扭转，改变线框中的电流方向或改变磁场方向，都会使线框受力方向发生改变。
它们间的关系符合“左手定则”。
实验现象：
如图所示
图1.通电线圈在蹄形磁场中受力偏转
图2.改变电流方向，通电线框向相反方向运动。
现象解释：
通电电流与磁场，导线的运动方向之间的关系满足“左手定则”：
伸开左手，使拇指与四个手指垂直磁感线垂直穿过手心，四指指向电流方向，则大拇指所指方向为洛伦兹力的方向。
2）.演示和说明“右手定则”
线框两端接演示电流计，由蹄形磁铁提供磁场，当线框的某部分迅速切割磁感线运动时，线框中就有感应电流，使检流计指针发生偏转，改变磁场的方向或运动方向都会使感应电流方向发生改变。
其关系符合“右手定则”
实验现象如图所示：
图3,4.线框在磁场中做切割磁感线运动时，检流计指针偏转。
现象分析：
当矩形线框切割磁感线运动时，磁场方向、线框运动方向以及感应电流方向满足“右手定则”，即：
伸开右手，使拇指与四个手指垂直，磁感线垂直穿过手心，四指指向感应电流方向，则大拇指所指方向为导体运动的方向。
2.演示楞次定律
1）.将条形磁铁竖直提在手中，按不同方向插进或拔出磁铁，观察电流计的偏转方向，从而判断电流方向，再由右手螺旋定则判断出螺线管中感应电流所产生的磁场的方向，分析螺线管中感应电流所产生的磁场与原磁场之间的关系，
实验现象：
（1）.按照如图a方式，将条形磁铁迅速插入螺线管，有实验可得，检流计指针偏转方向表示感应电流的流向，电流方向如图a所示：
当条形磁铁N极向下快速插入螺线管时，螺线管中向下的磁通量快速增加，感应电流产生的磁场阻碍磁通量的增加，因而N极在上，符合楞次定律的要求。
（a）
（2）.将条形磁铁N极向下。
快速从螺线管中拔出，由检流计指针偏转方向可得电路中的电流方向如图所示，则由右手定则可得螺线管的N极向下，阻碍条形磁铁运动造成的螺线管内磁通量的减少。
符合楞次定律的要求。
如图b所示。
（b）
（3）.如图c所示，将条形磁铁N极向上快速从螺线管中拔出，有电流计指针偏转方向可标出电路中电流的方向如图中所示。
又由右手定则可得螺线管的N极向上，阻碍由条形磁铁向上造成的螺线管内的磁通量的减少。
实验现象符合楞次定律。
（c）
（4）.将条形磁铁N极向上快速插入螺线管，有检流计指针偏转方向标出电路中电流方向，根据右手螺旋定则可得出螺线管的N极在下方，螺线管中感应磁场阻碍由于条形磁铁运动造成的螺线管内磁通量的增加。
实验现象符合楞次定律。
图5.验证楞次定律实验电路图
2）.将上述实验中的条形磁铁换成电磁铁，通断电，并改变电磁铁的电流方向，与上述实验结果进行比对。
实验现象与上例实验相同，从而可以验证楞次定律，即感应电流周围的磁场总是阻碍施感磁场的变化。
3）.用楞次环验证楞次定律
将楞次环放置好，用条形磁铁的任意一极迅速插入闭合铝环，观察铝环的运动变化
再在其静止时，迅速抽出磁铁，观察其运动变化。
同样的条形磁铁的任意一极从有开口的环内迅速插入抽出，观察其运动变化。
实验现象：
闭合铝环向磁铁的插入方向移动，待铝环停止不动时，把磁铁从铝环内迅速抽出，又可看到铝环随磁铁抽出方向转动；当在条形磁铁上加一块小磁铁时，发现铝环转动的现象更明显。
而将闭合铝环换成有开口的铝环后，再重复上述实验步骤，发现有开口的铝环不随磁铁的运动而变化。
如下图所示：
（a）（b）（c）（d）
图6.用楞次环验证楞次定律
现象分析：
用闭合铝环做此实验时，由于穿过铝环的磁通量的变化，导致铝环内产生感应电流，感应电流产生的感应磁场阻碍施感磁场的变化，因此铝环的运动就表现为“来拒去留”；而有开口的铝环无法构成闭合回路，自然不能产生感应电流
二．变压器原理说明器的使用
1.演示电压与线圈匝数的关系
将两个线圈套在U型铁芯的芯柱上，再将条形铁轭（磨光面向下）搁在芯柱上，用压板固定。
取绿色线圈0~400匝接低压电源交流（16-24V）作为初级线圈，红色线圈0~200匝及0~800匝为次级线圈，电路如下图所示。
选取电压表对应数据为U1，U2及U3，验证
=
的关系。
图7.变压器演示电路图
实验数据见下表：
电压U（V）
1
2
3
U1（V）
12
22
11
U2（V）
5.8
10
6
U3（V）
20
21
2.06
2.2
1.8
0.6
0.52
分析：
由图表数据可得，实验中的变压器个主副线圈两端电压基本符合
=
的关系，但由于线圈的电压以及实验中电表的计数问题，并不完全符合。
2.演示电流与线圈匝数的关系
本装置与上述变压演示相同，取红色线圈0~200匝接低压电源交流档（16-24V）作为初级，绿色线圈0~100匝及0~400匝为次级。
电路如左图。
最初将滑动变阻器滑到合适的位置，以便逐渐加大。
选取电流表的几组读数，验证主副线圈电流与线圈匝数的关系。
实验中观察的电流表数据虽不符合
但基本的大小符合要求。
3.演示通电自感
实验电路如下图，在自感现象演示板上接入装在闭合铁芯内的红色线圈作为电感L。
演示前，将可变电阻R调到最大，闭合开关S，再调节R值，使两个小灯泡亮度相同后，将S打开。
演示时，闭合开关S，观察两个小灯泡的亮度变化。
实验现象：
闭合开关S后，可看到小灯泡A1后于小灯泡 A2发亮。
因为闭合开关S，电路接通。
电路中电流增加，穿过线圈L的磁通量增加，产生感应电动势。
感应电动势阻碍线圈电流增大，使灯泡A1中的电流增加速度变慢。
因此，可明显看到A1比A2发亮的时间推后。
图9.通电自感实验电路图
4.演示断电自感
将自感示教板电路装成下图断电自感电路，其中电感L用红色线圈0~200匝，a、b两端接直流电源。
演示时，闭合开关S，小灯泡发亮，当断开S时，观察小灯泡如何变化。
实验现象：
当断开开关S后，小灯泡闪亮一下后熄灭。
现象分析：
当断开开关S时，线圈L中电流迅速减弱并消失，引起磁通量的急剧变化，使线圈中产生感应电动势。
这个感应电动势方向和线圈中原来的电流方向一致，阻碍电路中电流减弱，使电流仍能沿原来方向继续流动，若线圈有一定大小的自感系数、且直流电阻小于灯泡电阻，结果使灯泡D1在切断电源的一瞬间闪亮一下后在熄灭。
在此过程中电感线圈的电流不发生突变，而小灯泡所在电路中的电流方向与原来相反。
图10.断电自感实验电路图
5.演示跳环
实验装置为将条形铁轭竖直放在U形铁芯的一个立柱上，套上红色线圈以及铝环，将线圈0-1600匝的两端接220V交流电源。
演示时：
接通电源，发现圆环跳起，悬浮套在立柱上。
实验现象分析：
由于线圈接220V交流电源，因此在铝环中也产生了交变的感应电动势和感应电流，二者之间有一相位差，使得铝环受力在一个周期内的平均是向上的，该安培力使得铝环跳起，当它和铝环的重力平衡时，就表现为铝环悬空套在立柱上。
6.演示阻尼摆
将绿色线圈套入U形铁芯内。
两极掌分别放在两个立柱的上方，并使其垂直端面相对，将摆架装在压板上，使摆架的刀承与极掌相对面垂直，放置强弱阻尼摆。
演示时，线圈先不通电，将两摆偏离平衡位置约20°，同时释放，让其自由摆动，观察两个摆的运动变化，在给线圈通电，将两个摆同时释放，观察其运动变化。
实验现象：
不通电时两摆衰减很慢而且衰减幅度基本相同。
当给线圈通电后，在相同角度释放两摆可以看到强阻尼摆迅速衰减到静止，弱阻尼摆则衰减比较慢。
具体如下图所示：
图11.不通电时，两阻尼摆的运动状态
图12.线圈通电时，两阻尼摆的运动状态
现象分析：
阻尼摆的铝片在摆动过程中切割磁感线运动而产生涡流，涡流使摆在磁场中受到阻力作用。
弱阻尼摆上面有沟槽，使涡流回路的截面积减小，电阻增大，在与强阻尼摆同样角度起摆的情况下，弱阻尼白的涡流强度较，因而阻尼作用小，摆动幅度衰减的就慢。
7.演示感应灯
1.装置与跳环演示相同，以感应灯代替铝环，用红色线圈0~1600匝，接220V交流电源。
将感应灯从条形铁轭的上方逐步套入轭，发现小灯泡变亮，且亮度逐渐增强。
现象分析：
给线圈通220V交流电流时，由于小灯泡线圈套入铁轭，其磁通量发生变化，因而产生了感应电动势，感应电动势产生感应电流，小灯泡发亮。
小灯泡线圈逐渐向下，磁通量变化率更大，感应电动势更大，电阻一定时，感应电电流越大，因而小灯泡越来越亮。
2.将两极掌与阻尼摆演示装置相同，使两极掌的距离略大于感应灯线圈的口径，接通电源220V，把感应灯线圈插入极掌空隙内，发现当线圈平面与极掌端面平行时，小灯泡最亮，旋转线圈使项圈平面与极掌端面垂直，发现小灯泡逐渐变暗直至完全熄灭。
现象分析：
当线圈平面在两极掌之间转动时，线圈平面的磁通量发生变化，因而在小灯泡的线圈内产生感应电动势，感应电流使小灯泡发光。
当线圈平面与极掌端面平行时，通过线圈平面的磁通量最小，磁通变化率最大，所以感应电动势最大，因而小灯泡的亮度最亮；而当小灯泡的线圈平面与极掌端面垂直时，此时线圈平面的磁通量最达，磁通变化率最小，感应电动势最小，相应的小灯泡的亮度最低。
一．实验总结
本实验涉及高中一系列的电磁学实验，穿插于高中物理电磁学的学习，实验中需要注意各种仪器的使用安全，尤其其中涉及的各种电表的使用，应特别注意电表量程，正负极的选择，一面损坏仪器。
同时应本实验用到220V交流电，实验过程中需仔细。
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