电磁跳环演示试验报告

电磁跳环演示实验报告 实验原理 1、电磁感应：当通过回路的磁通量发生改变时，就会产生电磁 感应现象，产生感应电动势，若回路闭合，则会产生感应电流，且产 生的感应电动势满足法拉第电磁感应定律。 2、法拉第电磁感应定律：回路中的感应电动势ε与通过该回路 的磁通量Ф的时间变化率成正比，即  d/dt。对于导体回路是 N 匝线圈，定义全磁通：   i ,其中 i 为通过线圈第i匝的磁通量。 i1 N 对于各匝线圈磁通量相同的特别情形，则有  Nd/dt。 3、楞次定律：感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。 4、安培定律：通电导线在磁场中会受到力的作用，满足F  IBl。 5、麦克斯韦的涡旋电场理论：随时间变换的磁场在其周围产生 电场，并且感应电场的环流不为零，而等于感应电动势，即 E•dl   C B •dS。 S t 实验器材 1 台电磁跳环演示仪（接交流电源） ，2 个相同的封闭小铝环（记为 A 环） 、1 个钻 有许多小孔的封闭小铝环 （B 环） 、1 个开口 小铝环 （C 环） 、 一个封闭的小塑料环(D 环)、 一个大铝环（E 环） ，一个连有小灯泡的线 圈。右图为本实验所用的电磁跳环演示仪。 实验内容 一、普通实验 1、 分别将 1 个封闭的小铝环 （A 环） 、 钻有许多小孔的小铝环 （B 环） 、 开口的小铝环（C 环）和小塑料环（D 环）放入电磁跳环演示仪中， 接通电源，观察实验现象。 现象：A 环和 B 环向上跳起，C 环和 D 环不动。 解释：由于 A 环和 B 环是封闭的导体铝环，当接通电磁跳环演示仪的 电源时，通电线圈瞬间产生磁场，使穿过铝环的磁通量瞬间增大，由 电磁感应定律和楞次定律可知， 铝环将产生感应电流激发反向磁场来 “抵抗”磁通量的增加，在由安培定律可判断出铝环受到向上的安培 力（其值远大于铝环自身的重力）作用，因而往上跳。然而，由于C 环是开口的，因而其形不成闭合回路，也就不会有感应电流的产生， 故不受安培力的作用，C 环由于自身的重力作用仍处在台面上。D 环 由于不是导体，自然也就不会有感应电流产生，故不受安培力作用， 仍处在台面上。 2、将 1 个 A 环放入电磁跳环演示仪中，接通电源，待 A 环稳定在半 空中时，再用手拿着大铝环（E 环） ，缓缓套入演示仪中直到与稳定 的 A 环处在同一平面（近似） ，而后将 E 环较慢地向上（或向下）运 动，观察实验现象。 现象：A 环“跟随”E 环向上（或向下）运动。 解释：在 E 环靠近 A 环的过程中，E 环已经由于电磁感应而产生了感 应电流，其感应电流又会激发磁场来影响 A 环。由楞次定律和安培定 律可知，当E 环向上（或向下）运动时，会使通过A 环的磁通量发生 变化， 经过判断可知 A 环受到向上 （或向下） 的安培力作用， 因而 “跟 随”E 环一起向上（或向下）运动。 3、将 1 个 A 环放入电磁跳环演示仪中，接通电源，待 A 环稳定在半 空中时，再用手拿着另一个 A 环缓缓套入演示仪中，逐渐接近稳定的 A 环，观察实验现象。 现象：在两个A 环考得比较近的时候，稳定的A 环突然向上运动，最 终与另一个 A 环粘在一起。 解释：由麦克斯韦涡旋电场理论可知， 接交流电源的线圈产生变化的 磁场，当两个 A 环分别放入电磁跳环演示仪的时候， 它们都会被磁化 而产生涡旋电场，并且其感应电流的方向相同。由安培定律可知，电 流方向相同的两个小铝环会互相吸引， 由于在比较接近的时候，它们 之间的吸引力大于自身重力， 因此稳定的 A 环向上运动，并最终与另 一个 A 环粘在一起。 4、将连有小灯泡的线圈放入电磁跳环演示仪中，接通电源，观察实 验现象。 现象：小灯泡发光。 解释：由麦克斯韦涡旋电场理论可知， 接交流电源的线圈产生变化的 磁场，而变化的磁场则在其周围产生电场， 当连有小灯泡的线圈放入 演示仪时，线圈就会产生感应电流，因而小灯泡发光。 二、比较实验 1、分别将 1 个封闭的小铝环（A 环）和 1 个钻有许多小孔的小铝环 （B 环）放在电磁跳环演示仪中， 接通电源， 两个小铝环均向上跳起， 到达的最大高度分别为h 1 、h 2 ，观察实验现象，比较h 1 、h 2 的大小。 现象：h 1 h 2 。 解释 1：由麦克斯韦的涡旋电场理论可知，接通交流电源后的电磁跳 环演示仪产生变化的磁场，变化的磁场在其周围产生涡旋电场。 由于 A 环没有小孔而 B 环钻有许多小孔，这样可以认为A 环中的涡旋电流 的“环数”多于 B 环，再根据安培定律可判断 A 环受到的安培斥力比 较大，因此 A 环上跳的最大高度大于 B 环，即h 1 h 2 。 解释 2: 由法拉第电磁感应定律可知，  Nd/dt。由于A 环没有小 孔而 B 环钻有许多小孔，这样穿过 A 环的净磁通量 A 大于穿过 B 环 的净磁通量 B ,因此当电流变化而引起磁场变化时，将会有 d A  d B ,而交流电的变化频率相同，即dt A  dt B ,故 A  B 。再根据 安培定律就可判断出 A 环受到的安培斥力比较大， 因此 A 环上跳的最 大高度大于 B 环，即h 1 h 2 。 2、将 1 个封闭的小铝环（A 环）放在电磁跳环演示仪中，接通电源， A 环向上跳起到达的最大高度分别为h 1 ；将 1 个钻有许多小孔的小铝 环（B 环）和1 个封闭的小铝环（A 环）一起放在电磁跳环演示仪中， 接通电源， 两个小铝环粘在一起向上跳起， 到达的最大高度分别为h 2 ， 将 1 个钻有许多小孔的小铝环（B 环）和 2 个封闭的小铝环（A 环） 一起放在电磁跳环演示仪中， 接通电源，三个小铝环粘在一起向上跳 起， 到达的最大高度分别为h 3 ,观察实验现象， 比较h 1 、h 2 和h 3 的大小。 现象：h 1  h 2  h 3 。 解释 1:将 1 个小铝环近似看成 1 匝线圈（不知道是否可以？） ，将 2 个或 3 个铝环叠在一起看成是 2 匝或 3 匝线圈， 即将所有叠在一起的 铝环看成一个整体，认为它们之间也有感应电流经过。这样，由法拉 第电磁感应定律  Nd/dt可知： 1  2  3 ， 再由安培定律可得每匝 线圈（不是所有整体）所受的安培斥力有 F 1  F 2  F 3 ，由于实验所用 的电磁跳环演示仪非常光滑，所以忽略摩擦阻力。因此，由牛顿第二 定律可知：h 1  h 2  h 3 。 解释 2：将所有叠在一起的铝环看成一个整体，但认为它们之间彼此 绝缘，没有感应电流经过。 由于小铝环很薄，故近似认为上下放置时 受力不受影响。这样铝环叠在一起时与单独放置时， 单个相同铝环的 受力不变， 假设 A 环所受安培力为f A ,B 环为 f B ,则 1 个 A 环和 B 环整 体受力为f A  f B ,2 个 A 环和 1 个 B 环整体受力为2 f A  f B ， 在整个过程 中，我们认为摩擦阻力近似不变（不知道是否合理？） ，假设每个小 铝环的质量均为m(只是为了简化计算，无实质影响)。因此， a 1  f A  ff