书城科普读物动手做实验丛书--电学实验改进设计实践
33496000000002

第2章 电磁学实验中仪器、器材的使用与操作(2)

要使学生熟练掌握、灵活运用,就必须使他们对欧姆定律所揭示的电流、电压和电阻三者之间的关系有明确的认识。

首先,用改装的黑白电视机一台,干电池2-6节或直流电源一台,变阻箱一个,单刀开关一只,带鱼头夹的导线若干条,电路连接。

(1)若将电源上的极性改变,则亮线在屏幕上偏离X轴的方向就会改变。这一演示说明电源的极性不同,电流的方向也不同。(2)转动电阻箱的旋钮为10Ω、20Ω、30Ω,此时可看到屏上的亮线离X轴的距离也会改变,R值由小变大时,亮线离X轴由近到远;反之,亮线离X轴由远到近。我们可以把变阻箱的阻值和屏上亮线的坐标值对应填入表格中,在实验的误差范围内,即可知当电压一定时,电流与电阻成反比的关系。(3)若使变阻箱固定为30Ω,而改变电源电压,分别为3V、6V、9V,当电源电压升高时亮线离X轴远,电源电压降低时,亮线离X轴近。我们同样可以把电源电压和屏上的坐标值对应填入表格,可知当R一定时,电流与电压成正比的关系从而总结出欧姆定律。并且通过电视荧光屏观察电路中电流的变化,可见度大、清晰度高并且直观效果好。

电磁振荡的演示电磁振荡现象的演示电路所示。

它和高中物理教材图不同之处是:用改装的黑白电视机的行偏转线圈代替了电流表G,电容C用470μF耐压16V一只,电感线圈用10μH左右电感一只,单刀双掷开关一只。(1)闭合电视机电源开关,先把开关扳到电源一边,给电容器充电,稍后再把开关扳到线圈的一边,让电容器通过线圈放电,我们会看到电视荧光屏上有振荡波形产生,而且振荡波形是振幅逐渐减小的阻尼振荡波。这是由于电路中有电阻,一部分能量要转变成热,还有一部分能量要辐射到周围的空间中去。无阻尼的振荡是理想的振荡电路,也就是实际工作中需要的等幅振荡是用振荡器产生的。用同样的方法我们也可以靠晶体管组成的振荡器来演示等幅振荡波形。

教材实验中,由于电路中电阻能量的损失,加上电流计指针摆动中的惯性作用及电流计铝框中涡流受到的阻碍作用,都会使振荡的阻尼很大,振荡电流衰减的很快,以致难以看到一次周期性的振荡摆动,而用改装后的黑白电视机代替电流计,只要把电容和线圈调整适当,引线尽可能短,连线电阻要小,即可看到较好的振荡电流的波形,使学生对LC振荡电路能产生按正弦规律变化的振荡电流有明确的认识。

两个振动波形合成的演示本实验是以振荡合成基本理论为依据,为加强直观教学提高学生对振动合成理论的理解,利用改装的黑白电视机达到对振动合成理论的验证和理解的双重目的。

用改装的黑白电视机一台,扬声器一个,带开关的话筒一个,正弦波信号发生器一台,带鱼头夹的连线8根,电路连接。

首先调节信号发生器,使信号发生器输出1000Hz左右的音频信号,改变信号发生器的幅度旋钮,使之在荧光屏上波形清晰、幅度大小适中,同时扬声器发出音响。我们把话筒近距离对准扬声器,然后闭合话筒开关,该声音传播到话筒并输入到行偏转线圈上,如果忽略行偏转线圈的阻抗和空气传播对信号的衰减影响,这时荧光屏上应清晰的显示出一个同频率同幅度信号叠加运动的波形,幅度比不加话筒时的振动幅度大了一倍。

教材图波的叠加的实验演示方法是用绳子两端摆动,来说明在两列波重叠的区域里,任何一个质点的总位移,都等于两列波分别引起的位移的矢量和。而用电视荧光屏是通过声电转换的方法来显示,频率相同的两列波的叠加,这种方法比教材介绍的方法更形象逼真,只要接通电源,波形会连续不断地显示在荧光屏上,克服了用绳子摆动周期短、可见度低的缺点,是演示振动波形合成的最佳方法。

学生万用表改进

实验用的学生万用电表“OFF”档为通过转换开关将表头和输入两接线端分别短路,如附图所示,如果这时误将两表笔接在电源两端,表针偏转,同时会因短路而发生危险。笔者参照500型万用表的方法,将J0411型万用表作了一点变动,使“OFF”档为输入断路,起到了保护电源和万用表的作用。安徽省桐城天城中学汪辉林老师介绍改装方法。

附图直流电流档电路

将万用表旋转到“OFF”档,打开后盖,即可看到,转换开关中间触点与黑表笔端相连,图中A点;开关两端触点,一点与红表笔相连,另点接有红色导线,图中B点;红导线一端接在电阻档调零电位器的一端,图中C点。改装时,只要用电烙铁在A点焊下与黑表笔相连的导线,去掉连接B、C两点的红导线,让A、B两点空缺,把从A点焊下的导线中线头用绝缘胶布包好。这样,改装工作就完成了。

电磁综合演示仪

在中学物理的电与磁教学中,经常要做各种演示实验。是否能制造一架结构简单,取材容易,携带方便,明视度高的综合演示实验仪器呢?浙江师范大学物理系韦思非老师通过教学实践,制了一架电磁综合演示仪,效果较好,现介绍如下。

综合演示仪的制作

仪器的主体是一个实验架。它用05cm的薄板制成,在架子上装4个接线柱;上端方框中装上一根小针,以便放小磁针;在架子上配以红、绿二根导线,红的接电源正极,绿的接负极。再在架子上装一个涂有红色的可转动的箭头,以便指示导线中电流的方向,整个底板漆成白色。有了实验架后,只要配以少量零件,就可演示二十多个磁学实验。

演示通电导线周围的磁场

实验材料

实验架一只,小磁针,条形磁铁、蹄形磁铁各一只,指南针四只,用30号漆包线在软铁上绕100匝左右的螺线管一个,一号干电池一至二节、铁屑及导线若干。

实验步骤

在方框的小针上放一根磁针,用导线连接接线柱(3)、(4),接线柱(1)、(2)与干电池连接,转动箭头指出导线中电流的方向。

(1)可做通电直导线在周围产生磁场的实验,从磁针的偏转可以验证右手螺线法则。

(2)可做闭合导线产生磁场的实验,从磁针的偏转,可以验证右手螺线法则。

(3)所示,用一根直导线穿过底板与(2)、(4)连接,在底板上放四只指南针,从磁针的偏转方向,可以定性地说明通电直导线磁力线的方向。

(4)如果在底板的下面放一块条形磁铁或蹄形磁铁,在底板上撒一些铁屑,用手指轻轻振动底板就可以看到磁力线的分布情况。

(5)将螺线管放在底板的下面,接通电源。在底板上撒一些铁屑,用手指轻轻振动底板,可以看到通电螺线管磁力线的分布情况。

为了能使全班学生看清楚,教师可用一块平面镜,改变平面镜的角度,可使每个学生看清楚。

演示通电导线在磁场中运动实验材料实验架一只。所示的粗直导线一根,接线插头用粗导线做,连接线用花线上的单股铜线。图5(b)中的线圈用30号漆包线绕成边长为4cm的正方形,密绕50-80匝,用花线上的单股铜线与接线插头连接。蹄形磁铁一只,干电池一节。

实验步骤首先把图5(a)所示的接线插头插在接线柱(3)、(4)的插孔上,在实验架的平台上放上一块蹄形磁铁,转动箭头指出导线上电流的方向,接线柱(1)、(2)与电源连接。

(1)当电源接通时,导线立即运动,可以验证左手定则。

如果改用图5(b)的线圈来做上述的实验,则效果更加明显。

(2)也可用锡箔纸绕在铜笔上制成一个空心的圆筒,把二根光洁度高的粗金属丝(一般可采用自行车上面的钢丝)装在接线柱(3)、(4)上,置上锡箔圆筒,再把蹄形磁铁套在上面。接线柱(1)、(2)连接电源,转动箭头指出电流的方向。当电源接通时,空心圆筒就滚动,同样可以验证左手定则。

演示导线在磁场中运动产生感应电流实验材料实验架一只。

图5(a)所示的粗导线一根、图5(b)的线圈一只,蹄形磁铁一块,灵敏电流计一只。

实验步骤

(1)把图5(a)的装置插在(3)、(4)的插孔上,实验架的平台上放一块蹄形磁铁,接线柱(1)、(2)接灵敏电流计G。