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![電磁跳環(huán)演示實驗報告_第5頁](http://file2.renrendoc.com/fileroot_temp3/2021-6/19/03243e8f-446f-4224-ac6b-7a1768543b23/03243e8f-446f-4224-ac6b-7a1768543b235.gif)
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文檔簡介
1、電磁跳環(huán)演示實驗報告實驗原理 1、電磁感應:當通過回路的磁通量發(fā)生改變時,就會產(chǎn)生電磁感應現(xiàn)象,產(chǎn)生感應電動勢,若回路閉合,則會產(chǎn)生感應電流,且產(chǎn)生的感應電動勢滿足法拉第電磁感應定律。2、法拉第電磁感應定律:回路中的感應電動勢與通過該回路的磁通量的時間變化率成正比,即。對于導體回路是n匝線圈,定義全磁通:,其中為通過線圈第匝的磁通量。對于各匝線圈磁通量相同的特別情形,則有。3、楞次定律:感應電流的效果總是反抗引起感應電流的原因。4、安培定律:通電導線在磁場中會受到力的作用,滿足。5、麥克斯韋的渦旋電場理論:隨時間變換的磁場在其周圍產(chǎn)生電場,并且感應電場的環(huán)流不為零,而等于感應電動勢,即。實驗器
2、材1臺電磁跳環(huán)演示儀(接交流電源),2個相同的封閉小鋁環(huán)(記為a環(huán))、1個鉆有許多小孔的封閉小鋁環(huán)(b環(huán))、1個開口小鋁環(huán)(c環(huán))、一個封閉的小塑料環(huán)(d環(huán))、一個大鋁環(huán)(e環(huán)),一個連有小燈泡的線圈。右圖為本實驗所用的電磁跳環(huán)演示儀。實驗內容一、普通實驗1、分別將1個封閉的小鋁環(huán)(a環(huán))、鉆有許多小孔的小鋁環(huán)(b環(huán))、開口的小鋁環(huán)(c環(huán))和小塑料環(huán)(d環(huán))放入電磁跳環(huán)演示儀中,接通電源,觀察實驗現(xiàn)象?,F(xiàn)象:a環(huán)和b環(huán)向上跳起,c環(huán)和d環(huán)不動。解釋:由于a環(huán)和b環(huán)是封閉的導體鋁環(huán),當接通電磁跳環(huán)演示儀的電源時,通電線圈瞬間產(chǎn)生磁場,使穿過鋁環(huán)的磁通量瞬間增大,由電磁感應定律和楞次定律可知,鋁環(huán)
3、將產(chǎn)生感應電流激發(fā)反向磁場來“抵抗”磁通量的增加,在由安培定律可判斷出鋁環(huán)受到向上的安培力(其值遠大于鋁環(huán)自身的重力)作用,因而往上跳。然而,由于c環(huán)是開口的,因而其形不成閉合回路,也就不會有感應電流的產(chǎn)生,故不受安培力的作用,c環(huán)由于自身的重力作用仍處在臺面上。d環(huán)由于不是導體,自然也就不會有感應電流產(chǎn)生,故不受安培力作用,仍處在臺面上。2、將1個a環(huán)放入電磁跳環(huán)演示儀中,接通電源,待a環(huán)穩(wěn)定在半空中時,再用手拿著大鋁環(huán)(e環(huán)),緩緩套入演示儀中直到與穩(wěn)定的a環(huán)處在同一平面(近似),而后將e環(huán)較慢地向上(或向下)運動,觀察實驗現(xiàn)象?,F(xiàn)象:a環(huán)“跟隨”e環(huán)向上(或向下)運動。解釋:在e環(huán)靠近a
4、環(huán)的過程中,e環(huán)已經(jīng)由于電磁感應而產(chǎn)生了感應電流,其感應電流又會激發(fā)磁場來影響a環(huán)。由楞次定律和安培定律可知,當e環(huán)向上(或向下)運動時,會使通過a環(huán)的磁通量發(fā)生變化,經(jīng)過判斷可知a環(huán)受到向上(或向下)的安培力作用,因而“跟隨”e環(huán)一起向上(或向下)運動。3、將1個a環(huán)放入電磁跳環(huán)演示儀中,接通電源,待a環(huán)穩(wěn)定在半空中時,再用手拿著另一個a環(huán)緩緩套入演示儀中,逐漸接近穩(wěn)定的a環(huán),觀察實驗現(xiàn)象?,F(xiàn)象:在兩個a環(huán)考得比較近的時候,穩(wěn)定的a環(huán)突然向上運動,最終與另一個a環(huán)粘在一起。解釋:由麥克斯韋渦旋電場理論可知,接交流電源的線圈產(chǎn)生變化的磁場,當兩個a環(huán)分別放入電磁跳環(huán)演示儀的時候,它們都會被磁化
5、而產(chǎn)生渦旋電場,并且其感應電流的方向相同。由安培定律可知,電流方向相同的兩個小鋁環(huán)會互相吸引,由于在比較接近的時候,它們之間的吸引力大于自身重力,因此穩(wěn)定的a環(huán)向上運動,并最終與另一個a環(huán)粘在一起。4、將連有小燈泡的線圈放入電磁跳環(huán)演示儀中,接通電源,觀察實驗現(xiàn)象。現(xiàn)象:小燈泡發(fā)光。解釋:由麥克斯韋渦旋電場理論可知,接交流電源的線圈產(chǎn)生變化的磁場,而變化的磁場則在其周圍產(chǎn)生電場,當連有小燈泡的線圈放入演示儀時,線圈就會產(chǎn)生感應電流,因而小燈泡發(fā)光。二、比較實驗1、分別將1個封閉的小鋁環(huán)(a環(huán))和1個鉆有許多小孔的小鋁環(huán)(b環(huán))放在電磁跳環(huán)演示儀中,接通電源,兩個小鋁環(huán)均向上跳起,到達的最大高度
6、分別為、,觀察實驗現(xiàn)象,比較、的大小。現(xiàn)象:。解釋1:由麥克斯韋的渦旋電場理論可知,接通交流電源后的電磁跳環(huán)演示儀產(chǎn)生變化的磁場,變化的磁場在其周圍產(chǎn)生渦旋電場。由于a環(huán)沒有小孔而b環(huán)鉆有許多小孔,這樣可以認為a環(huán)中的渦旋電流的“環(huán)數(shù)”多于b環(huán),再根據(jù)安培定律可判斷a環(huán)受到的安培斥力比較大,因此a環(huán)上跳的最大高度大于b環(huán),即。解釋2: 由法拉第電磁感應定律可知,。由于a環(huán)沒有小孔而b環(huán)鉆有許多小孔,這樣穿過a環(huán)的凈磁通量大于穿過b環(huán)的凈磁通量,因此當電流變化而引起磁場變化時,將會有,而交流電的變化頻率相同,即,故。再根據(jù)安培定律就可判斷出a環(huán)受到的安培斥力比較大,因此a環(huán)上跳的最大高度大于b環(huán)
7、,即。2、將1個封閉的小鋁環(huán)(a環(huán))放在電磁跳環(huán)演示儀中,接通電源,a環(huán)向上跳起到達的最大高度分別為;將1個鉆有許多小孔的小鋁環(huán)(b環(huán))和1個封閉的小鋁環(huán)(a環(huán))一起放在電磁跳環(huán)演示儀中,接通電源,兩個小鋁環(huán)粘在一起向上跳起,到達的最大高度分別為,將1個鉆有許多小孔的小鋁環(huán)(b環(huán))和2個封閉的小鋁環(huán)(a環(huán))一起放在電磁跳環(huán)演示儀中,接通電源,三個小鋁環(huán)粘在一起向上跳起,到達的最大高度分別為,觀察實驗現(xiàn)象,比較、和的大小。現(xiàn)象:。解釋1:將1個小鋁環(huán)近似看成1匝線圈(不知道是否可以?),將2個或3個鋁環(huán)疊在一起看成是2匝或3匝線圈,即將所有疊在一起的鋁環(huán)看成一個整體,認為它們之間也有感應電流經(jīng)過
8、。這樣,由法拉第電磁感應定律可知:,再由安培定律可得每匝線圈(不是所有整體)所受的安培斥力有,由于實驗所用的電磁跳環(huán)演示儀非常光滑,所以忽略摩擦阻力。因此,由牛頓第二定律可知:。解釋2:將所有疊在一起的鋁環(huán)看成一個整體,但認為它們之間彼此絕緣,沒有感應電流經(jīng)過。由于小鋁環(huán)很薄,故近似認為上下放置時受力不受影響。這樣鋁環(huán)疊在一起時與單獨放置時,單個相同鋁環(huán)的受力不變,假設a環(huán)所受安培力為,b環(huán)為,則1個a環(huán)和b環(huán)整體受力為,2個a環(huán)和1個b環(huán)整體受力為,在整個過程中,我們認為摩擦阻力近似不變(不知道是否合理?),假設每個小鋁環(huán)的質量均為m(只是為了簡化計算,無實質影響)。因此,。因為只知道,而沒
9、有其它條件及相關的定量關系,故只能判斷出,至于與的關系則無法判斷。所以該理論只能解釋,若要知道與的關系,則有待進一步實驗。以上兩種不同的解釋都對實驗的一些方面做了假設,故其正確與否有待通過實驗來進一步檢驗。三、檢驗實驗1、將1個封閉的小鋁環(huán)(a環(huán))放在電磁跳環(huán)演示儀中,接通電源,a環(huán)向上跳起到達的最大高度分別為;將1個開口的小鋁環(huán)(c環(huán))和1個封閉的小鋁環(huán)(a環(huán))用細小的透明膠粘在一起【注:(1)透明膠粘在小鋁環(huán)的外沿,因此認為它不改變摩擦力;(2)透明膠足夠細小,因此認為它基本不影響整體的重力?!糠旁陔姶盘h(huán)演示儀中,接通電源,兩個小鋁環(huán)粘在一起向上跳起,到達的最大高度分別為。根據(jù)解釋1的說法,它們之間有感應電流經(jīng)過,1個a環(huán)看成1匝線圈,1個a環(huán)和1個c環(huán)構成的整體可以看成兩個線圈,因此通過觀察實驗現(xiàn)象,如果,則說明解釋1合理,否則解釋1不合理。實驗現(xiàn)象:。檢驗結果:由于實驗結果與解釋1不符,因此解釋1的說法不合理。但是此實驗并不能說明解釋2是合理的。實際上,由于試驗中的電磁跳環(huán)演示儀和小鋁環(huán)內表面都十分光滑,它們之間的摩擦力是很小的,相比于安培斥力理論上應該是可以忽略的。然而,要精確檢驗解釋2是否合理,則要通過進一步的定量實驗來檢驗。實驗總結1、電磁跳環(huán)演示實驗涉及到了
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