第12届亚洲物理奥林匹克竞赛实验题介绍与解答(论)

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1、万方数据第3l卷笫10期物理实验PHYSICSEXPERlMENTATION第12届亚洲物理奥林匹克竞赛实验题介绍与解答基础教育研究廖慧敏，荀坤．陈晓林(北京走学物理学院．北京10087摘i：舟绍r第129ⅡW物理璺林Ⅱ≈竞舞所考的“导体隹振荡难场中的悬浮“和”光学‘黑☆予”2十拽E立骏∞试聒厦t#组织#冶＆的标准解替*■∞：Ⅲ洲物理奥林K克·感4m珈势；碰≈浮；光播t自射中舶分粪号：G6337i献标识日：Ai童编号：1005—464Z(2011)10-0016t10l引言第12届亚洲物理奥林匹克竞赛下2011年5月1日至8月8日崔以色列特拉

2、维夫市举行代表中国毒赛的吴字恺等8名中学生全部获得了金牌．H包揽了总分前5辑本届竞赛的两遒实验题为：“导体在振荡磁场中的悬浮”和“光学‘黑盒子”’姆题考试时间为25h，中间休息0．5h．奉文试题部分基本为原貌．解答部分采用组蚕会提供的标准解答(文中称为样本实验)．并尽可能对物理图像作出说明2试题2．1试题A：导体在振荡磁场中的景浮在足够强的振荡磁场佧用下．由于肛中感生电流所罡的平均磁力币为零．金属导体会悬浮起来平均磁力不为零源自磁场与感生电诡间的相位差，而此相位差又来冉导体的电感本实验将通过测量通有振荡电流的螺线管施加在铝环竖直方向f：的力，

3、来导出铝环的自感系数．为方使测最，作用在环上的平均力会指向下方．咐不是使环悬浮实驻器材见图i图中1足soHz的交流电源．共2对输出端的输出电压分别约为24V和0．7V，前者其川于列蠊线管供电为防止＆时间通电导致的幕坑过热．开关只有被压下才接通2是带铁芯的螺线管，其竖直位置·Ⅱ由螺距为^一鄹1盘漉电源2螺绒管3盎屉环{万用丧i数字*平6泡镕*7电线腰1试题A实验装壁罔141mm的螺杆调节3是由间样材料(铝合金)制成的金属环．其巾1个环闭台．2个环开u第一个开口环尺寸与闭台环相同．只足被切掉了一小段．第二个开II环则比前2个耶细很多1是万用表．分

4、别用作电压表和电流表．交流电压表的灵敏度为01mV．电诫表的量程为20A8是使用电池供电的散字天平．灵敏度为00lg当受到快速振荡变化的力作用时．走平将显尔力的时间平均值6是用于安放金属环的聚苯乙烯泡沫块7是带打各种不同接头的电线另外．还提供了1把尺子．毫米绘图纸和照明用台灯特拉维夫的重力JJn速度大小为g一(980±001)N／kg理论(i3分)现有放置于蝶线臂醴场内的半径为r的导体嚣品霁：翟譬鼗嚣8㈩蛐_IE竺j阳^州：^毕搬学院讲邮帆僦朴川F蛙性斑月蚧芋万方数据第10期廖慧敏，等：第12届亚洲物理奥林匹克竞赛实验题介绍与解答17环，其对

5、称轴与螺线管的对称轴重合，电感记作L，电阻记作R．励磁电流的角频率记作叫．z轴方向定义为沿螺线管与导体环共同的对称轴方向向下．此处，可以忽略导体环激发的磁场对螺线管及其铁芯的微小作用．同时，也可忽略导体环的厚度．可以用到法拉第定律及磁场的高斯定理，即：1)法拉第定律．变化的磁通量在回路上产生的感生电动势是e=一dcPe／dt．2)高斯定理．穿出闭合面的总磁通量为零．置于柱对称磁场B中的电流环受的合力为F(￡)一一27rrI(￡)B，(￡)，(1)其中，工为环中的电流，B，为环附近外磁场的径向分量(沿环半径方向)．z方向为力F的正方向，电流工的

6、正方向如图2所示．图2金属环在螺线管激发的磁场中a．(o．2分)考虑外部振荡磁通量吼(￡)一√虿西哥8sin(ccJ￡)穿过环的情形．求：e(￡)——仅仅由外部振荡磁通量于圆环上产生的感生电动势；J(￡)——环内的感生电流，将J(￡)用西哥8，L，R，03和￡表示．提示：对于既有电感又有电阻的交流电路元件，其上电动势振幅s。与电流振幅工。的关系为￡。一J。~／∞2L2+R2，并且，电流相对于电动势延迟的相位为艿=arctan(警)．b．(o．6分)求Br(以r，挚e表示)．c·(O·5分)证明：(F>一口—(R—2—+二～2L2)‘掣．这里，

7、(F>为F的时间平均值，￡ms(2)为当环位于高度z时，环上感生电动势的方均根值．求出常量口．测量(5．1分)电阻测量(2．6分)这部分测量须使用交流电源的0．7V输出．若用所提供的导线把0．7V的2个端1：2短路，得到的电流会在5～10A之间，与接触状况有关．d．(1．3分)测出细环的电阻R他i。，在答题表中画出接线图．提示：每个环的电阻都比0．1Q小得多．而对该细环而言，感抗相对于电阻值来说可忽略．e．(1．3分)确定出闭合环的电阻R．在必要时需再作一些测量．感生电动势的测量(1．5分)f．(1．5分)将螺线管连至电源的24V输出．安放宽

8、的开口环，使环的轴线与螺线管的轴线重合．在不同高度z(即离螺线管不同距离处)测量环上感生电动势￡一．在给定表格中记录测量值并画出e一随z的变化图(包括趋势线)．力的