基于物理电磁实验的有关探讨

周凯瑜

摘 要：物理实验有助于我们高中生理解公式定义，促进对有关题型的掌握能力，尤其是电磁的学习，更应加强对其实验的力度。基于此，笔者根据个人学习兴趣，通过收集相关文献资料，对电磁波感应实验、电磁阻尼摆实验进行了探讨，希望通过本文，能给与同学们一些启示，共同进步。

关键词：高中；物理；电磁；实验

法拉第电磁感应定律是高中物理电磁学中的一个重要内容，我们从物理教材中可以得知，常见的定性实验不能进行进一步的探究，并会限于我们对其的理解与拓展，因此这就需全面理解电磁知识，并通过各项实验数据加深我们对知识的理解。

1 电磁感应实验

充磁器是一种快速饱和充磁设备，也是一种多种用途器材，它的作用就是给磁铁上磁，同时由于磁铁在刚生产出时并不具备磁性，且必须通过充磁器充磁后才能带磁（如图1所示，K：电源开关；L：电源指示灯；C：充磁孔；N：极），由于充磁器结构上的原因，老师告诉我们每次实验的通电时间应不超过几秒钟，否则升温过快会损坏充磁器。具体内容为：首先将合适的U形软铁棒套上事先绕上的两组不同匝数线圈的纸筒，线圈匝数分别为n1和n2（n2>n1），然后插入充磁孔内固定，如图2所示，之后接通充磁器电源，从实验可得知，连在匝数线圈为n2上的演示电表V2指针摆幅较大，而这也就说明感应电动势和线圈匝数n成正比关系E n。其次將合适的软铁棒放入充磁孔内，让连有演示电表V1（或V2）的线圈n1（或n2）分别快速、慢速穿入软铁棒，从实验得知，演示电表指针摆动幅度大些（小些），说明感应电动势与闭合线圈内磁通量的变化率成正比关系E∝ΔΦ/Δt。

其中，1：充磁器；2：纸筒；3、4：0形软铁棒；5、6：多用表；7、8：匝数，分别为n1和n2的线圈；E：感应电动势（V）；n：感应线圈匝数；△Φ/△t：磁通量的变化率。

另外通过仿真实验，也可为我们提供真实的操作界面，而仿真实验意味创造一个可视化的实验环境，其中每个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备，通过操作这些虚拟的实验仪器或设备进行各种复杂的实验，可达到理想实验的学习要求和目的，但此种方法据笔者自身经验来看，需要学校提供实验支持，不宜我们在日常实验学习中进行。

2 电磁阻尼振荡实验

从学习中我们可得知，当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力的作用，随之安培力的方向总是会阻碍导体的运动，而这种现象就被称之为电磁阻尼，同时这一现象也可用楞次定律解释，即闭合导体与磁体发生切割磁感线的运动，由于闭合导体所穿透的磁通量发生变化，闭合导体会产生感应电流，而这一电流产生的磁场会阻碍两者的运动，其阻力大小正比等于磁体的磁感应强度和导体与磁体之间的相对运动速度。

2.1 实验中存在的问题

根据笔者所在学校的情况来看，关于电磁阻尼振荡的演示实验较少，而笔者朋友所在的的中学虽然条件较好，但也只是用J2434型电磁振荡演示仪配上大型演示电表J0402来查看电表指针的减幅摆动，虽然看到了减幅振荡电流现象，但他表示未真正观察到减幅振荡波形图像，同时由于实验时振荡的起始电流较大（约3～6mA），大型演示电表的阻尼也较大，往往只看到电表指针弹击止动柱（或超过电表最大刻度）后，摆动几次就停止了，而这与用干电池加接一个电阻后，直接碰触一下电表两接线柱所产生的效果相差不大，但在试验中笔者在实验室改接于示波器后，在其光屏上更无法观察到减幅振荡图像，并且由于大电感较为笨重，电解电容器因易受潮而会产生漏电，甚至失效，因此需经常保养维护甚至更换，演示面板安置也不便。由上所述，目前实验演示效果不令人满意，问题亟待解决，因此笔者根据老师建议，对实验进行了如下补充：

2.2 实验内容

（1）角度解算；在将传感器固定到金属摆上时，应使y轴的正向与地面垂直，x轴的正向与地面平行，z轴的方向由右手螺旋定则确定。加速度计利用重力矢量及其在坐标轴上的投影来确定倾斜角度，同时也可利用基本三角恒等式来计算俯仰角，如等式①所示：

①

其中：θ是当前时刻加速度y轴与竖直面之间的夹角，即金属摆转角；ax是重力加速度在x轴上的分量；ay是重力加速度在y轴上的分量；az是重力加速度在z轴上的分量。

（2）数据处理；为验证导体在磁场中运动会受到电磁阻尼，故进行对比试验，具体为：将实验分为加载电磁阻尼和不加载电磁阻尼两种，在试验时令金属摆的释放角度一致，控制唯一变量，即电磁阻尼，并要排除其它变量的干扰，从而起到验证唯一变量的作用。其次由于笔者学校实验室的系统支架的安装误差，以及MPU6050传感器的安装误差，会导致在金属摆处于静止时的转角非零，所以采取老师的建议，对数据进行预处理，系统中采用软件的方法对初始误差进行校正，校正算法如公式②所示。

②

式中， θ为金属摆转角， θi为第i个采样点的金属摆转角，通过观察金属摆转角可以看出，两次释放的初始转角均为78°，并且不加载电磁阻尼的金属摆在摆动15次之后，转角的幅值才降到10°以下，而加载电磁阻尼的金属摆仅摆动6 次之后，转角的幅值已降到 10°以下，因此可得知：加载电磁阻尼的金属摆会很快在电磁阻尼的作用下停止摆动，同时反映出当闭合导体与磁极发生相对运动时，两者之间会产生电磁阻力，阻碍相对运动的现象，而这也是电子技术在物理试验中的应用，可以提高我们对电子技术和物理实验的兴趣。

3 总结

总之，高中物理实验是一门基础课程，笔者通过对电磁实验知识的探讨和摸索，提高了对学习的积极性和创新实践能力，因此建议大家在老师的指导下，加强实验与动手能力，积极转变态度，以崭新的姿态和面貌迎接物理学科带给我们新的变化和挑战。

参考文献：

[1] 毕亮.可视化电磁屏蔽实验[J].物理实验，2017（01）.

[2] 赵娟荣.高中物理电磁学演示实验改进的例说[J].科技展望，2016（26）endprint