電磁跳環(huán)演示實驗報告

1、電磁跳環(huán)演示實驗報告實驗原理 1、電磁感應：當通過回路的磁通量發(fā)生改變時，就會產(chǎn)生電磁感應現(xiàn)象，產(chǎn)生感應電動勢，若回路閉合，則會產(chǎn)生感應電流，且產(chǎn)生的感應電動勢滿足法拉第電磁感應定律。2、法拉第電磁感應定律：回路中的感應電動勢與通過該回路的磁通量的時間變化率成正比，即。對于導體回路是n匝線圈，定義全磁通：,其中為通過線圈第匝的磁通量。對于各匝線圈磁通量相同的特別情形，則有。3、楞次定律：感應電流的效果總是反抗引起感應電流的原因。4、安培定律：通電導線在磁場中會受到力的作用，滿足。5、麥克斯韋的渦旋電場理論：隨時間變換的磁場在其周圍產(chǎn)生電場，并且感應電場的環(huán)流不為零，而等于感應電動勢，即。實驗器

2、材1臺電磁跳環(huán)演示儀（接交流電源），2個相同的封閉小鋁環(huán)（記為a環(huán)）、1個鉆有許多小孔的封閉小鋁環(huán)（b環(huán)）、1個開口小鋁環(huán)（c環(huán)）、一個封閉的小塑料環(huán)(d環(huán))、一個大鋁環(huán)（e環(huán)），一個連有小燈泡的線圈。右圖為本實驗所用的電磁跳環(huán)演示儀。實驗內(nèi)容一、普通實驗1、分別將1個封閉的小鋁環(huán)（a環(huán)）、鉆有許多小孔的小鋁環(huán)（b環(huán)）、開口的小鋁環(huán)（c環(huán)）和小塑料環(huán)（d環(huán)）放入電磁跳環(huán)演示儀中，接通電源，觀察實驗現(xiàn)象。現(xiàn)象：a環(huán)和b環(huán)向上跳起，c環(huán)和d環(huán)不動。解釋：由于a環(huán)和b環(huán)是封閉的導體鋁環(huán)，當接通電磁跳環(huán)演示儀的電源時，通電線圈瞬間產(chǎn)生磁場，使穿過鋁環(huán)的磁通量瞬間增大，由電磁感應定律和楞次定律可知，鋁環(huán)

3、將產(chǎn)生感應電流激發(fā)反向磁場來“抵抗”磁通量的增加，在由安培定律可判斷出鋁環(huán)受到向上的安培力（其值遠大于鋁環(huán)自身的重力）作用，因而往上跳。然而，由于c環(huán)是開口的，因而其形不成閉合回路，也就不會有感應電流的產(chǎn)生，故不受安培力的作用，c環(huán)由于自身的重力作用仍處在臺面上。d環(huán)由于不是導體，自然也就不會有感應電流產(chǎn)生，故不受安培力作用，仍處在臺面上。2、將1個a環(huán)放入電磁跳環(huán)演示儀中，接通電源，待a環(huán)穩(wěn)定在半空中時，再用手拿著大鋁環(huán)（e環(huán)），緩緩套入演示儀中直到與穩(wěn)定的a環(huán)處在同一平面（近似），而后將e環(huán)較慢地向上（或向下）運動，觀察實驗現(xiàn)象?，F(xiàn)象：a環(huán)“跟隨”e環(huán)向上（或向下）運動。解釋：在e環(huán)靠近a

4、環(huán)的過程中，e環(huán)已經(jīng)由于電磁感應而產(chǎn)生了感應電流，其感應電流又會激發(fā)磁場來影響a環(huán)。由楞次定律和安培定律可知，當e環(huán)向上（或向下）運動時，會使通過a環(huán)的磁通量發(fā)生變化，經(jīng)過判斷可知a環(huán)受到向上（或向下）的安培力作用，因而“跟隨”e環(huán)一起向上（或向下）運動。3、將1個a環(huán)放入電磁跳環(huán)演示儀中，接通電源，待a環(huán)穩(wěn)定在半空中時，再用手拿著另一個a環(huán)緩緩套入演示儀中，逐漸接近穩(wěn)定的a環(huán)，觀察實驗現(xiàn)象。現(xiàn)象：在兩個a環(huán)考得比較近的時候，穩(wěn)定的a環(huán)突然向上運動，最終與另一個a環(huán)粘在一起。解釋：由麥克斯韋渦旋電場理論可知，接交流電源的線圈產(chǎn)生變化的磁場，當兩個a環(huán)分別放入電磁跳環(huán)演示儀的時候，它們都會被磁化

5、而產(chǎn)生渦旋電場，并且其感應電流的方向相同。由安培定律可知，電流方向相同的兩個小鋁環(huán)會互相吸引，由于在比較接近的時候，它們之間的吸引力大于自身重力，因此穩(wěn)定的a環(huán)向上運動，并最終與另一個a環(huán)粘在一起。4、將連有小燈泡的線圈放入電磁跳環(huán)演示儀中，接通電源，觀察實驗現(xiàn)象。現(xiàn)象：小燈泡發(fā)光。解釋：由麥克斯韋渦旋電場理論可知，接交流電源的線圈產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場則在其周圍產(chǎn)生電場，當連有小燈泡的線圈放入演示儀時，線圈就會產(chǎn)生感應電流，因而小燈泡發(fā)光。二、比較實驗1、分別將1個封閉的小鋁環(huán)（a環(huán)）和1個鉆有許多小孔的小鋁環(huán)（b環(huán)）放在電磁跳環(huán)演示儀中，接通電源，兩個小鋁環(huán)均向上跳起，到達的最大高度

6、分別為、，觀察實驗現(xiàn)象，比較、的大小?，F(xiàn)象：。解釋1：由麥克斯韋的渦旋電場理論可知，接通交流電源后的電磁跳環(huán)演示儀產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場在其周圍產(chǎn)生渦旋電場。由于a環(huán)沒有小孔而b環(huán)鉆有許多小孔，這樣可以認為a環(huán)中的渦旋電流的“環(huán)數(shù)”多于b環(huán)，再根據(jù)安培定律可判斷a環(huán)受到的安培斥力比較大，因此a環(huán)上跳的最大高度大于b環(huán)，即。解釋2: 由法拉第電磁感應定律可知，。由于a環(huán)沒有小孔而b環(huán)鉆有許多小孔，這樣穿過a環(huán)的凈磁通量大于穿過b環(huán)的凈磁通量,因此當電流變化而引起磁場變化時，將會有,而交流電的變化頻率相同，即,故。再根據(jù)安培定律就可判斷出a環(huán)受到的安培斥力比較大，因此a環(huán)上跳的最大高度大于b環(huán)

7、，即。2、將1個封閉的小鋁環(huán)（a環(huán)）放在電磁跳環(huán)演示儀中，接通電源，a環(huán)向上跳起到達的最大高度分別為；將1個鉆有許多小孔的小鋁環(huán)（b環(huán)）和1個封閉的小鋁環(huán)（a環(huán)）一起放在電磁跳環(huán)演示儀中，接通電源，兩個小鋁環(huán)粘在一起向上跳起，到達的最大高度分別為，將1個鉆有許多小孔的小鋁環(huán)（b環(huán)）和2個封閉的小鋁環(huán)（a環(huán)）一起放在電磁跳環(huán)演示儀中，接通電源，三個小鋁環(huán)粘在一起向上跳起，到達的最大高度分別為,觀察實驗現(xiàn)象，比較、和的大小。現(xiàn)象：。解釋1:將1個小鋁環(huán)近似看成1匝線圈（不知道是否可以？），將2個或3個鋁環(huán)疊在一起看成是2匝或3匝線圈，即將所有疊在一起的鋁環(huán)看成一個整體，認為它們之間也有感應電流經(jīng)過

8、。這樣，由法拉第電磁感應定律可知：，再由安培定律可得每匝線圈（不是所有整體）所受的安培斥力有，由于實驗所用的電磁跳環(huán)演示儀非常光滑，所以忽略摩擦阻力。因此，由牛頓第二定律可知：。解釋2：將所有疊在一起的鋁環(huán)看成一個整體，但認為它們之間彼此絕緣，沒有感應電流經(jīng)過。由于小鋁環(huán)很薄，故近似認為上下放置時受力不受影響。這樣鋁環(huán)疊在一起時與單獨放置時，單個相同鋁環(huán)的受力不變，假設a環(huán)所受安培力為,b環(huán)為,則1個a環(huán)和b環(huán)整體受力為,2個a環(huán)和1個b環(huán)整體受力為，在整個過程中，我們認為摩擦阻力近似不變（不知道是否合理？），假設每個小鋁環(huán)的質(zhì)量均為m(只是為了簡化計算，無實質(zhì)影響)。因此，。因為只知道，而沒

9、有其它條件及相關(guān)的定量關(guān)系，故只能判斷出，至于與的關(guān)系則無法判斷。所以該理論只能解釋，若要知道與的關(guān)系，則有待進一步實驗。以上兩種不同的解釋都對實驗的一些方面做了假設，故其正確與否有待通過實驗來進一步檢驗。三、檢驗實驗1、將1個封閉的小鋁環(huán)（a環(huán)）放在電磁跳環(huán)演示儀中，接通電源，a環(huán)向上跳起到達的最大高度分別為；將1個開口的小鋁環(huán)（c環(huán)）和1個封閉的小鋁環(huán)（a環(huán)）用細小的透明膠粘在一起【注：（1）透明膠粘在小鋁環(huán)的外沿，因此認為它不改變摩擦力；（2）透明膠足夠細小，因此認為它基本不影響整體的重力?！糠旁陔姶盘h(huán)演示儀中，接通電源，兩個小鋁環(huán)粘在一起向上跳起，到達的最大高度分別為。根據(jù)解釋1的說法，它們之間有感應電流經(jīng)過，1個a環(huán)看成1匝線圈，1個a環(huán)和1個c環(huán)構(gòu)成的整體可以看成兩個線圈，因此通過觀察實驗現(xiàn)象，如果，則說明解釋1合理，否則解釋1不合理。實驗現(xiàn)象：。檢驗結(jié)果：由于實驗結(jié)果與解釋1不符，因此解釋1的說法不合理。但是此實驗并不能說明解釋2是合理的。實際上，由于試驗中的電磁跳環(huán)演示儀和小鋁環(huán)內(nèi)表面都十分光滑，它們之間的摩擦力是很小的，相比于安培斥力理論上應該是可以忽略的。然而，要精確檢驗解釋2是否合理，則要通過進一步的定量實驗來檢驗。實驗總結(jié)1、電磁跳環(huán)演示實驗涉及到了