自然电磁现象演示实验讲义.docx

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自然电磁现象演示实验讲义

自然电磁现象演示实验讲义

主编：

江光裕

南昌航空大学大学物理实验中心

2010年9月

阻尼摆和非阻尼摆演示

一、演示目的

演示涡电流的机械效应

二、实验原理及装置

在磁场中运动的导体，由于电磁感应，在大块导体内将产生涡电流，再据楞次定律，涡电流在磁场中受到的安培力必定阻碍导体的运动，这就是电磁阻力。

装在摆上的导体片在磁场中摆动也要受到电磁阻力。

改变导体片的结构，使涡电流减少，则阻尼力也将减少。

三、实验操作及现象：

1.先不通入励磁电流，使阻尼摆在两极间作自由摆动，可以观察到在轴尖处的摩擦力和空气阻力作用下，要经过相当长的时间摆才停止下来。

2.接通励磁电源（12伏），则在两磁极间产生很强的磁场。

当阻尼摆在两磁极间左右摆动时，根据愣次定律阻尼摆内产生感应电流（涡电流），感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因，现在，引起感应电流的原因是来自摆的摆动，因此感应电流的效果是产生阻力，使摆动迅速停止。

3.用非阻尼摆代替阻尼摆作如上实验，可以观察到其摆动仍需经过较长时间才停止。

这是因为非阻尼摆上有许多隔槽，使得涡电流大为减小，从而使阻尼作用不明显。

能量转换轮

一、演示目的

演示电能、磁能、机械能、光能之间的相互转化。

二、实验原理：

本装置有一个大的转轮，轮子一圈镶有许多永磁铁。

在轮子右侧上有一个通交流电的电磁铁。

电磁铁通电时，产生交变磁场，电能转化为磁能；转轮内的磁铁在该磁场的磁力作用下带动转轮转动，磁能转化为机械能；旋转的轮使得永久磁铁的磁场运动，又使左侧闭合线圈中产生感生电流，被转化成电能，并通过发光二极管转变为光能。

三、操作与现象：

1.打开箱体前面板上的开关，使源盘右侧铁芯产生变化的磁场；

2.轻轻转动大圆盘（内有永磁铁），使其转动起来，经过两磁场的相互作用，圆盘越转越快；

3.观察圆盘左侧线圈中发光二极管的发光情况；

4.实验结束，关闭电源。

磁悬浮哑铃

一、演示目的

演示磁学的奇妙应用。

二、演示原理：

将磁浮转子的针端抵住横挡板，转动尾部，观察其悬浮，等到转子不再转动，观看转子是否能够悬浮。

三、实验仪器：

法拉第管（懒惰管）

一、演示目的

演示法拉第效应。

二、演示原理及操作：

磁体的磁场在管中变化时，会在管壁产生感应电流（涡流）涡流的磁场会对磁体产生阻压作用，不同管材结构阻压作用不同，同来回翻转,可以看圆柱体缓慢的下落。

静电起电

一、演示目的

演示发电机工作原理。

二、实验操作：

了解简单发电机工作原理和机械能转化为电能的过程。

转动手轮，小灯泡发光。

转动手轮的速度越快，小灯泡越明亮。

磁悬浮哑铃

一、演示目的

放入磁力，观察磁针变化。

本演示形象的显示磁场周围空间各个点的磁场方面及磁感线方向和磁感线的形成。

二、实验仪器：

静电跳球演示

一、演示目的

演示带电小球在两个带不同电荷的板极之间的运动。

二、实验仪器及操作方法

1、维氏起电机，如右图。

2、静电跳球装置，如右下图。

将两极板分别与静电起电机相连接，摇动起电机，使两极板分别带正、负电荷，这时小金属球也带有与下板同号的电荷。

同号电荷相斥，异号电荷相吸，小球受下极板的排斥和上极板的吸引，跃向上极板，与之接触后，小球所带的电荷被中和反而带上与上极板相同的电荷，于是又被排向下极板。

如此周而复始，可观察到球在容器内上下跳动。

当两极板电荷被中和时，小球随之停止跳动。

三、注意事项：

1、实验过程中不能触碰所有带电的金属部分。

2、静电起电机摇动时要均匀加、减速，转速不能过快。

3、实验完成后要将静电起电机的莱顿瓶中多余电量中和放掉。

尖端放电演示

一、演示目的

演示物体的尖端放电以及由放电引起的“电风”。

二、操作方法

实验装置如图。

将起电机的一极接在针形导体上，摇动起电机，使针形导体带电。

由于导体尖端处电荷密度最大，所以附近场强最强。

在强电场的作用下，使尖端附近的空气中残存的离子发生加速运动，这些被加速的离子与空气分子相碰撞时，使空气分子电离，从而产生大量新的离子。

与尖端上电荷异号的离子受到吸引而趋向尖端，最后与尖端上电荷中和；与尖端上电荷同号的离子受到排斥而飞向远方形成“电风”，把附近的蜡烛火焰吹向一边，甚至吹灭。

针型导体应对着蜡烛火焰的根部，效果较明显。

三、注意事项：

1、实验过程中不能触碰所有带电的金属部分。

2、静电起电机摇动时要均匀加、减速，转速不能过快。

3、实验完成后要将静电起电机的莱顿瓶中多余电量中和放掉。

富兰克林轮演示

一、演示目的

演示物体由尖端放电引起的“电风”。

二、操作方法

将富兰克林轮的金属立桩与起电机任意一个电极相连，快速摇动起电机，轮就会在静电尖端放电形成电风的反作用下转动起来。

三、注意事项：

1、实验过程中不能触碰所有带电的金属部分。

2、静电起电机摇动时要均匀加、减速，转速不能过快。

3、实验完成后要将静电起电机的莱顿瓶中多余电量中和放掉。

避雷针放电原理演示

一、演示目的

演示避雷针的工作原理

二、实验装置及操作方法

实验装置如右图。

将绝缘支架上的两个金属圆板与起电机的两极相接。

在下板上放一个上部呈球状的铜块，调节板距，使球顶距上板1厘米左右。

摇动起电机，当板板间电压超过10千伏时，铜球与上板间形成火花放电。

放电后，极板间电压消失，复又被起电机充电。

上述过程重复出现，在球与上板之间形成断续火花放电，可听到噼啪声，并看到跳过的火花。

用带绝缘柄的电工钳将一个顶端呈圆锥状的铜块放在圆板上（为了比较，这个铜块与前述铜块等高）。

上述火花放电现象立即停止，但可听到丝丝的电晕放电声。

这是由于第二个铜块的尖端附近形成的强电场，使空气分子电离，致使极板经常处于连续的电晕放电状态，即所谓尖端放电现象。

尖端放电的结果，使极板间的电压不能达到火花放电的数值，因此火花放电停止。

避雷针就是利用尖端放电来避免强烈火花放电的原理制成的。

三、注意事项：

1、实验过程中不能触碰所有带电的金属部分。

2、静电起电机摇动时要均匀加、减速，转速不能过快。

3、实验完成后要将静电起电机的莱顿瓶中多余电量中和放掉。

电介质极化模拟演示

一、演示目的

模拟偶极子在电场中的定向排列，加深理解电介质在电场中的极化。

二、实验原理

电偶极子在电场中受力矩作用，使电偶极子转到平行于电场的方向。

电介质内的极性分子在没有外加电场的情况下，由于热运动而杂乱无章地取向。

从宏观上看没有偶极矩。

当外加一电场后，在电场的作用下，每个偶极矩都趋向于与外场一致，宏观上表现出极化现象。

三、实验操作及现象

将静电起电机的两端分别接在电介质极化演示仪的两极板上，此时电介质极化演示仪内模拟电偶极子的石蜡细棒排列方向是混乱状态（沿任意方向）。

当接通电压，模拟偶极子极化使两端带上等量异号电荷，从而形成偶极子，并立即由混乱状况变为有向排列。

关闭电压，则偶极子又处于混乱状态。

四、注意事项：

1、实验过程中不能触碰所有带电的金属部分。

2、静电起电机摇动时要均匀加、减速，转速不能过快。

3、实验完成后要将静电起电机的莱顿瓶中多余电量中和放掉。

投影式洛仑磁力演示

一、演示目的

演示液体中运动的正、负离子在磁场中所受到的洛仑兹力。

二、性能参数：

电源输入电压为交流220V，直流输出为30W。

磁环磁场强度为800高斯。

三、仪器结构：

仪器分为两个部分，直流电源和洛仑兹力投影装置。

洛仑兹力投影装置由磁缸、玻璃皿支架、中心电极和外环铜片电极组成。

四、现象的演示：

1．在玻璃皿中加入一定量的稀硫酸铜溶液。

2．用联接线将直流电源与洛仑兹力投影装置接好，打开电源开关，液体开始以圆心为轴旋转，在液面上放一小块泡沫，液体流动推动泡沫块环向运动，现象说明运动电荷在磁场中受到力的作用，这种力称为洛仑兹力。

3．使用直流电源换开关可改变电流方向，液体流动也改变方向。

4．如改变磁场方向，液体流动也改变方向。

五、注意事项：

实验完毕，将外环电极冲洗干净。

绝缘体转换为导体演示

一、演示目的

演示绝缘体（玻璃）在高温下转换为导体的现象。

二、实验装置

三、注意事项：

1、本实验电源为220V交流电，请注意安全，防止触电。

2、实验后绝缘体温度很高，不要触摸以免烫伤。

3、注意温度不宜太高，否则将玻璃体烧化。

绝缘体转换为导体演示仪使用说明

一、演示仪器结构

1、灯泡为220V，25W。

2、绝缘体采用灯泡内芯去掉钨丝之后的玻璃体。

3、电源为220V交流电。

4、酒精灯。

二、操作及现象

1、接通电源，打开开关可看到灯泡发光。

2、关掉开关，灯泡熄灭，用酒精灯加热绝缘体，当达到一定温度时，绝缘体转换为导体，这时灯泡逐渐亮起来，且温度越高，灯泡越亮。

3、撤下酒精灯，温度逐渐变低，则灯泡逐渐熄灭。

三、注意事项：

1、本实验电源为220V交流电，请注意安全，防止触电。

2、实验后绝缘体温度很高，不要触摸以免烫伤。

3、注意温度不宜太高，否则将玻璃体烧化。

等厚干涉磁致伸缩演示

一、演示目的

利用等厚干涉图样的变化演示铁磁物质在磁场作用下的几何尺寸变化的物理现象。

二、等厚干涉、磁致伸缩

铁磁物质在磁场中被磁化时，由于磁畴的取向排列，引起介质晶格间距的改变，从而会发生长度和体积的变化，这个现象称为磁致伸缩。

磁致伸缩效应一般很小，难于直接观察到。

等厚干涉装置——牛顿环，是由一块平板玻璃和一块平凸透镜合在一起形成等厚干涉，并可观察到等厚干涉的干涉图样是一组大小不同的圆环。

在压力的作用下等厚干涉的空气间隙会发生微小变化从而干涉图样也会发生变化。

我们利用这个原理将牛顿环固定在一个线圈上。

线圈中固定一根镍棒直顶在牛顿环上。

当线圈产生磁场时，磁场中的镍棒产生磁致伸缩现象，长度收缩。

顶在牛顿环上的应力发生了变化导致牛顿环的干涉图样也发生变化。

通过CCD采集牛顿环产生的等厚干涉条纹显示在电视机上，可以直观的观察到牛顿环图样的变化。

从而演示磁致伸缩这个物理现象。

三、注意事项：

牛顿环的玻璃片方向不能装反。

等厚干涉磁致伸缩演示仪使用说明

一、演示仪器结构

1、光源（220V，50W）

2、等厚干涉装置（牛顿环装置）

3、螺线管（其中有一镍棒直顶在牛顿环上，含直流电源）

4、成像屏（通过两个透镜将牛顿环投影放大成像）

二、操作与现象演示

1、调节牛顿环的三个旋钮，使牛顿环产生的等厚干涉图样处在正中，并将CCD对准干涉图样，接通电视机，调节CCD焦距，使得在电视屏幕上清晰看到等厚干涉（牛顿环）图样。

2、调节线圈后面的螺杆，使镍棒顶在牛顿环上有一定的应力。

3、接通直流电源，改变电压的大小和方向，可看到等厚干涉（牛顿环）变化。

关闭电源，图样恢复原状。

三、注意事项：

牛顿环的玻璃片方向不能装反。

巴克豪森效应演示

一、演示目的

通过演示巴克豪森效应来验证磁畴理论。

二、巴克豪森效应

铁磁性物质在磁化过程中，当外磁场的强度达到一定强度时，磁畴壁界面开始发生移动，它最显著地发生在磁化曲线的最陡区域。

此时磁化过程是不连续的，而是以跃变的形式进行，这种现象就是跃变磁化。

矩形磁滞回线的铁磁性材料跃变磁化最为明显。

跃变磁化现象也称为巴克豪森效应。

本实验是把畴壁跃变引起的磁化跃变用声音显示出来。

三、注意事项：

1、完成实验后合金片、硅钢片等取出。

2、实验过程中磁铁匀速移动时效果较好。

巴克豪森效应演示仪使用说明

一、演示仪器结构

如图所示：

仪器结构由：

放大器、实验线圈、样品（玻莫合金、硅钢片、铜片或铝片）和条形永久磁铁组成。

将铁磁性物质放入线圈中，然后将条形永久磁铁缓缓地靠近样品使其磁化。

当跃变磁化发生时，在线圈中会感应出相应的不连续电流，经过放大，能在喇叭中发出卜卜声或沙沙声。

二、操作与现象演示

接通放大器电源开关，就可开始做实验。

（1）在线圈中不插入任何试样，将永久磁铁沿着线圈轴线，由远而近缓缓地靠近线圈，此时喇叭无声音。

（2）将玻莫合金片插入线圈中，再将条形永久磁铁的N极对着线圈，并沿着线圈的轴线，由远而近将玻莫合金片磁化，此时喇叭发出沙沙的响声。

如果永久磁铁移动得很慢，喇叭发出卜卜的响声，当永久磁铁不动时，响声立刻停止，继续往前移动，喇叭也发出响声，但是比磁化时要小（这是由于在不可逆过程中还存在着可逆过程。

如果是良好的矩形磁滞回线材料，则没有这种现象）。

永久磁铁离得越远声音越小，直至没有响声。

磁极方向不变，再将永久磁铁移近线圈，玻莫合金片再次被磁化，所不同之处是响声比第一次磁化时小。

（3）将条形永久磁铁的方向转动180°（即将S极对着线圈），沿着轴线由远而近将玻莫合金片磁化，此时磁畴全部倒向，喇叭发出更大的响声。

（4）将玻莫合金片取出，插入硅钢片，重复上述磁化过程。

喇叭响声较小，而且磁化与退磁过程响声差别不大，因为硅钢片不是矩形磁滞回线的铁磁材料。

（5）取出硅钢片，插入铜片或铝片试样。

由于非铁磁性材料没有磁畴结构，当重复上述磁化过程时，喇叭没有响声，通过这样的对比能加深对磁介质的认识。

三、注意事项：

1、完成实验后合金片、硅钢片等取出。

2、实验过程中磁铁匀速移动时效果较好。

压电效应演示

一、演示目的

通过将电信号变成声音演示压电晶体在压缩力作用下，产生的电信号，即压电效应。

二、压电效应

压电晶体在压缩力作用下，在两面能够产生电位差，即机械振动通过压电晶体转换为电振动（电信号）的效应称为正压电效应；

在晶体两面加上一定的电位差时，晶体线度会发生一定的变化，产生机械振动，即逆压电效应。

三、注意事项：

完成实验将仪器收好。

压电效应演示仪使用说明

一、演示实验装置

（一）压电效应演示仪（扩音机）

（二）压电陶瓷

压电陶瓷片是由锆钛酸铅（PZT）材料做成的，它具有明显的压电效应，在1kg的压缩力下，两面能够产生百分之几伏的电位差。

此电位差可从扩音机扬声器中传出的音频信号宏观地表现出来。

二、操作与现象演示

1、演示压电效应。

将压电陶瓷联接线的接头插入本演示仪的输入端，接通电源，如用手轻轻敲打压电片，可听到扬声器传出咔咔的声音，如将压电片粘在手表（最好是机械表）的玻璃表面上，可从扬声器中听到放大了手表的嘀嗒声。

这是由于压电片在压缩力的作用下，其两端产生电压，经扩音机放大后从扬声器中传出，从而验证了压电陶瓷具有压电效应。

2、演示逆压电效应。

将演示仪正/逆压电效应的按钮按下，压电陶瓷联接线的插头插入演示仪的输出端，适当调节演示仪的调频旋钮，即可从扩音机中收听到音频信号。

这个实验明确地说明压电陶瓷元件具有逆压电效应，即压电陶瓷的两个极由于施加了音频电压，使其发生低频的机械振动。

这个振动又使压电晶体两端产生音频电压，经扩音机放大，可以听到扬声器的声音。

三、注意事项：

完成实验将仪器收好。

雅各布天梯

一、演示目的

揭示电弧在自身产生的电动力作用下的运行规律。

二、演示原理：

雅各布天梯模型是一对上宽下窄、顶部呈羊角形的电极。

在2～5万伏高压下，两电极最近处的空气首先被击穿，形成大量的正负等离子体，即产生电弧放电。

空气对流加上电动力的驱使，使电弧向上升，随着电弧被拉长，电弧通过的电阻加大，当电流送给电弧的能量小于由弧道向周围空气散出的热量时，电弧就会自行熄灭。

在高压下，电极间距最小处的空气还会再次击穿，发生第二次电弧放电，如此周而复始。

三、操作说明：

打开电源开关，红灯亮后，按动操作开关。

观察电弧沿羊角形电极向上爬升的现象。

四、注意事项：

该仪器操作过程中是带有高压的，所以不要用手触摸，演示完毕后用金属棒对其放电。

磁悬浮地球

一、演示目的

演示磁学的奇妙应用。

二、实验操作：

采用向上磁力吸引与向下重力相平衡的方式使地球仪自由地悬在空中。