驗證感生電場實驗設計研究

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1引言

在“感生電動勢與動生電動勢”一節中，人教版高中物理選修3-2教材在提出了“磁場變化時產生了電動勢，哪一種作用扮演了非靜電力的角色？”問題之后，就直接給出了物理學家麥克斯韋的結論:磁場變化時會在空間激發一種電場———感生電場［1］。以教師視角看，盡管結論非常直接，但卻容易使正處于思維發散狀態下的學生感到結論下得既突然又武斷，同時也不利于學生探究能力的培養，難以讓人信服。為此，筆者設計了驗證感生電場存在的實驗。實踐證明，該實驗既達到了培養學生能力的目的，又能增強教學效果。

2設計思路及實驗器材

2.1設計思路。該實驗設計能獲得較強、持續的變化磁場，并找到一個帶電粒子；在受力作用下，帶電粒子的運動狀態會發生改變，若改變的原因能排除是洛侖茲力，則只能是磁場變化時產生的作用力，即感生電場的作用力。2.2實驗器材。FB201-Ⅰ型交變磁場實驗儀、FB201-Ⅱ型交變磁場測試儀、陰極射線管、高壓電源、導線。FB201-Ⅰ型交變磁場實驗儀是集信號發生、信號感應、測量于一體的多用途教學實驗儀器，它可以在亥姆霍茲線圈中產生磁場。經理論計算證明，給亥姆霍茲線圈通入同方向的電流，則兩個線圈的合磁場在軸上(兩線圈圓心連線）附近較大范圍內呈均勻分布狀態［2］。磁場的分布如圖1所示，其中x為軸上某一點到線圈圓心O′的距離，由于通過亥姆霍茲線圈的電流是交變電流，沿兩個線圈軸線方向產生的是均勻交變磁場，具有強度大、持續時間可人為確定、便于控制的優點，其磁感應強度約為1.0×10-3T。FB201-Ⅱ型交變磁場測試儀作為信號源，其激勵信號的頻率、輸出強度均連續可調，信號頻率可調范圍是30～200Hz，分辨率為0.1Hz。亥姆霍茲線圈允許的最大電流是1A(50Hz），每個線圈共為400匝，線圈等效半徑為105mm。帶電粒子由正常工作時的陰極射線管產生，可通過打到熒光板上發出的淺綠色徑跡顯示粒子的運動狀態。

3驗證原理

將陰極射線管帶電粒子徑跡方向沿亥姆霍茲線圈圓心連線方向放置，此時帶電粒子運動方向平行于磁場方向，不會受到洛侖茲力的作用，則帶電粒子是直線徑跡，表明沒有感生電場產生；保持陰極射線管帶電粒子徑跡方向沿亥姆霍茲線圈圓心連線方向放置方式不變，給線圈通入交變電流，此時沿兩個線圈軸線方向產生均勻的交變磁場，則帶電粒子的徑跡有規律地向著兩個相反方向偏轉，表明磁場發生變化并使電荷受到作用力（即感生電場的作用力），說明有感生電場存在。

4實驗方法

（1）用導線將陰極射線管和高壓電源連接起來，把Ⅰ型交變磁場實驗儀和Ⅱ型交變磁場測試儀按照圖2所示加以連接。（2）調節高壓電源的輸出電壓，保證陰極射線管正常工作，調整陰極射線管并使帶電粒子直線徑跡方向與亥姆霍茲線圈軸線方向平行放置，適當遠離連線，實驗裝置照片如圖3所示。（3）保持陰極射線管和亥姆霍茲線圈放置方向不變，打開交變磁場實驗裝置開關，給線圈通入交變電流，觀察到帶電粒子的徑跡有規律地向著兩個相反方向偏轉。（4）改變Ⅱ型交變磁場測試儀輸出的交變電流信號的頻率，觀察到帶電粒子的徑跡在向兩個相反方向偏轉時存在快慢不同的現象。為使實驗現象更加清晰，可視度更好，可以采取減少室內采光的措施，以便利用實物投影儀將裝置的主要部分投影到大屏幕上。

5結語

感生電場存在的實驗很少能在大學、中學教材或期刊雜志中見到，其原因是極不容易獲得較強、持續的感生電場；而赫茲實驗雖然能夠驗證感生電場的存在，但卻較難做，且說服力遠遠不夠。筆者所設計的驗證實驗為不同功能儀器的組合實驗，利用亥姆霍茲線圈的交變磁場對運動的帶電粒子作用的效果來研究感生電場的存在，直接將抽象的問題直觀化、抽象的概念形象化，效果明顯，能充分說明問題，易于被學生所探究和認識。FB201交變磁場實驗裝置是整個實驗的“心臟”，它所產生的是強度大、持續時間便于人為控制的均勻交變磁場，即調整帶電粒子直線徑跡方向與亥姆霍茲線圈圓心連線方向平行放置（即帶電粒子運動方向平行于磁場方向），是保證該實驗效度和信度的關鍵。

作者:李斌 單位:漣源市第一中學

參考文獻

［1］張大昌，彭前程，張維善.普通高中新課程標準實驗教科書物理(選修3-2）[M].北京:人民教育出版社，2004.

［2］梁燦彬，秦光戎，梁竹健.電磁學[M].北京:高等教育出版社，1980.