基于数字示波器的综合性实验设计

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1、基于数字示波器的综合性实验设计杨国仁(中国海洋大学物理系，山东青岛，266071)摘要:介绍一个综合性实验的设计。用数字示波器与一个简单的装置配套，通过对同一个物理现象的多角度分析，实现了对法拉第电磁感应定律的验证；应用电磁感应测定了重力加速度；同时对磁棒的磁场强度分布做出了定性描述。关键词：数字示波器；磁棒；电磁感应中图文分类号：O441文献表示码：A文章编号：060169收稿日期：2006-03-06者简介：杨国仁（1966—），男，甘肃靖远人，中国海洋大学工程师，主要从事普通物理实验的教学和研究。图1实验

2、原理图SN线圈Rzv磁棒同一个物理现象的不同侧面有不同的物理意义。传统的普通物理实验往往只注重某一个侧面，在设计实验时也就只突出要分析的这一个侧面，给学生的感觉是一个物理现象只表现一种物理意义。随着素质教育的提倡，要求学生要有综合分析能力，能够对一个物理现象进行全方位的分析；同时随着电子技术的发展，对一个物理现象的全方位体现也成为可能。由此，我们设计了这样一个实验，用一个简单的装置与数字示波器配套，利用数字示波器的单触发功能记录磁棒穿过线圈时产生的感生电动势的曲线，通过对这一物理现象从不同的角度分析，实现了对法

3、拉第电磁感应定律的验证；并且创新性地用该方法进行了重力加速度的测定；同时对磁棒磁场强度的分布做出了定性描述。让学生对同一个物理现象进行多角度综合分析，得出不同的结论，从而有助于培养学生的发散思维和创新能力。收稿日期：2006-03-06作者简介：杨国仁（1966-），男，甘肃靖远人，中国海洋大学工程师，主要从事普通物理实验的教学和研究。1实验原理1.1如图1所示，将一根磁棒自由下落穿过线圈的中心，则线圈中产生感生电动势。设线圈匝数为N1，半径为R1，磁棒切割线圈的运动速度为ν，磁棒的磁感应强度为B，则有法拉第电

4、磁感应定律可知感生电动势：（1）其中负号代表E的方向，其中（2）1.2收稿日期：2006-03-06者简介：杨国仁（1966—），男，甘肃靖远人，中国海洋大学工程师，主要从事普通物理实验的教学和研究。数字存储示波器的原理本文不作详述，其关键技术是模数变换器的取样速率。而现在普通的数字示波器取样速率为1.0GS/s，高级的可达2.0GS/s或更高。它们的垂直分辨率达2mV/格；水平分辨率达5nS/格。同时具有单触发、存储、自动测量、光标测量等功能[1]。因此可以对上述过程的曲线进行精确测量和多角度分析。2实验装置

5、t=tBSNSNt=tDdd’图4磁棒通过线圈的示意图图3感生电动势的曲线图2实验装置图2是本实验装置的示意图。在一个有3mm宽绕线槽的线圈骨架上，用AWG#35漆包线密绕80匝，并在20、30、40、50、60、70、80匝处抽头，制成一个多抽头的线圈。线圈骨架套在一个刻有标度的玻璃管上，可沿玻璃管自由滑动，并可固定在任何位置。用一磁棒从玻璃管口开始做自由落体运动。当它经过线圈时，在线圈中产生感生电动势。将待测线圈产生的信号接到数字示波器的信号端，利用数字存储示波器的单触发功能就可以观察并记录下感生电动势随时

6、间变化的动态过程。它的典型曲线如图3。3实验现象分析图4为磁棒通过线圈的示意图，当磁棒接近线圈时，线圈内开始有磁通量的变化，在图3中感生电动势开始上升，当磁极到达线圈中心时达到最大值，在图3中对应为B点；当磁棒的另一极离开线圈中心时，感生电动势达到负的最大值，在图3中对应为D点；当磁棒远离线圈后，感生电动势回归为零。对上述现象，我们可以从如下三个角度来进行分析并得出结论：3.1法拉第电磁感应定律的验证。法拉第电磁感应定律的验证已经有较为成熟的分析方法。参照文献[2][3]的方法，我们对（1）式进行一个简单的推导

7、收稿日期：2006-03-06者简介：杨国仁（1966—），男，甘肃靖远人，中国海洋大学工程师，主要从事普通物理实验的教学和研究。此时法拉第电磁感应定律可表示为（3）其中I是一个与磁棒磁场分布以及线圈尺寸有关的积分。当磁棒和线圈大小选定后，感生电动势与N1和ν成正比。让一磁棒从玻璃管口开始作自由落体运动，将线圈固定在某一高度，纪录不同的N1或改变线圈高度记录同一线圈在不同ν值下的信号曲线，从而很容易地验证法拉第电磁感应定律。3.2重力加速度的测定。让磁棒从一定高度自由落体穿过线圈，如图4所示，当磁棒切割线圈时，

8、则有上式中，h为线圈中心距玻璃管口的高度，L为磁棒长度，d和为ε最强时N极和S极离线圈中心的距离。在实验设计时，我们选取玻璃管内径为11mm；外径为14mm；线圈骨架内径14.5mm；线圈宽度3mm，直径16mm，并且绕有较多的匝数；磁棒选用具有很强磁性的钕铁硼圆柱形磁棒，其直径为φ10mm。这样一来，由于线圈宽度很小，磁棒直径与玻璃管内径相当，在下落过程中磁棒不会偏斜，且线圈直径也较