单匝线圈切割磁力线实验的探究，本文主要内容关键词为：磁力线论文,线圈论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中学物理教材中单匝线圈切割磁力线的实验是学生认识电磁感应现象的重点实验，对学生认识电磁感应现象起到至关重要的作用，也是大多数教师感到比较棘手的实验。在实际实验时，按照教材示意图的方法用一种灵敏检流计和磁感应强度很大（约1特），半径为5厘米的圆形磁铁，用0.5秒使单匝线圈切割磁力线时，灵敏检流计仍然检测不到感应电流的存在。为什么呢？
一、原因分析
如果用0.5秒的时间使单匝线圈切割上述圆形磁铁的所有磁力线，根据Φ=BS和ε=△Φ/△t，可得单匝线圈切割所有的磁力线时产生的感生电动势ε≈1.571×10[-2]V，流过的量程为±100μA，内阻为1kΩ，灵敏检流计电流为15.71μA。但灵敏电流计不能检测到感生电流的存在。
对灵敏检流计（微安表）来说，通电线圈转动时，受到三个力矩的作用，电磁主动力矩M[，T]=NISB，悬丝的弹性扭矩M=～DQ和电磁阻力矩M[，I]=-PdQ/dt。对三个力矩的作用进行分析（分析过程略）可知，电流计的外电路电阻的临界电阻Rc越小越容易检测到单匝线圈切割磁力线产生的感生电流的存在。
二、解决办法
1.电流表选用临界电阻Rc较小的检流计
由于我们不知道检流计的临界电阻Rc，又不知道检流计的其他参数，无法计算出Rc，但可以采用实验的办法来寻找合适的检流计。按教材中所示电路，磁铁用8英寸的扬声器的磁铁或口径更大的扬声器的磁铁，实验中分别换用不同的检流计，让单匝导线切割磁力线，观察检流计指针的摆动情况来选择合适的检流计。我们用部分检流计进行实验，发现J—DB2XA型、J-0409型检流计效果较好，让单匝导线切割8英寸的扬声器磁铁的磁力线时，表针偏转可达两个格。演示实验时，把检流计放在实物投影仪上，学生可以明显地观察到单匝导线切割磁力线确实产生感生电流。我们还发现实验时对于J-DB2XA型、J-0409型检流计来说，在电路中分别串联2Ω、10Ω左右的电阻，检流计指针摆动幅度更大。
2.用短路电流放大器，将电流转换成电压来检测
设计制作带集成电路的指针电流表。它既能保留原指针万用表读数稳定、方便、便于观察演示的优点，又克服了内阻大、响应速度慢的缺点。
①电路构成及原理：图1所示为一反相输入比例运算放大器，R[，1]为输入电阻，R[，F]为反馈电阻，R[，2]为平衡电阻。由于理想运放的I[，-]=I[，+]=0，所以R[，2]上无压降，U[，+]=0。若使R[，1]=0，则放大器输入电阻即为零，根据平衡电阻的取值要求，则R[，2]=0，这就构成了一个短路电流放大器，电流输入的阻抗为零，输出的电压随输入的电流线性变化。这是理想运放的结论，实验电路的指标与此非常接近，可以满足小电流测量、检测的要求。
图2为电流表电路原理图，IC[，1]为双电源四运放TL084的其中一个运放，它与R[，1]构成短路电流放大器，输出端电压U[，1]等于被测电流I[，1]与R[，1]的乘积，即：U[，1]=-iR[，1]…①。取：R[，1]=1kΩ，被测电流的最大值为5mA，则U[，1m]=-5V。IC[，2]与R[，2-7]构成一个反相加法器，R[，7～9]与W构成的调零系统，如果i=0时，U[，0]≠0，则可移动多圈电位器W的活动触头改变U[，W]使U[，0]=0。R[，2]分别与R[，4]、R[，5]、R[，6]组成具有三种放大倍数的反相比例放大器。当K掷1，根据电压放大倍数公式Au=-R[，4]/R[，2]=U[，0]/U[，1]…②。若U[，0]取量程为5V的电压表，则U[，1]=-（R[，2]/R[，4]）U[，0]=-（4.7k/4.7k）5V=-5V。根据①式：i=-U[，1]/R[，1]=5mA，即K掷1时，量程为5mA；同理可推出K掷2、3时，量程分别为500μA、50μA。以上所述电路即构成了一个电流输入阻抗为零、具有三个量程、指针式的电流表。
②仪表制作与使用：电源采用两节9V叠层电池或用交流220V电源经变压整流稳压获得±9V（±9V的获得在此不再赘述）。W采用多圈电位器，IC用一块四运放TL084，只用其中的两个运放。电阻数据如图2所标，由于元件较少，可焊接在自行刻制的线路板上即成，线路板图如图3所示。装配好之后，进行调整校准：让I[，i]=0、调W使U[，0]=0，再让I[，i]=2mA，调换R[，1]使U[，0]2V，这样使5V电压表做电流值读数用，不需改变刻度，只改标单位即可。使用时，将这种表代替教材中的电流表，接通电源，并调整W使指针式电压指到零，即可按照教材的说法进行实验，便取得良好的效果。
