6.2 用电磁感应法测交变磁场(仿真实验)

第6章 物理虚拟仿真实验

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大学物理仿真实验系统的辅助功能如下。

① 界面的右上角的功能显示框：在普通实验状态下，显示实验实际用时、记录数据按钮、结束实验按钮、注意事项按钮；在考试状态下，显示考试所剩时间的倒计时、记录数据按钮、结束考试按钮、显示试卷按钮（考试状态下显示）、注意事项按钮。

② 右上角的工具箱：各种使用工具，如计算器等。

③ 右上角的help和关闭按钮：help按钮可以打开帮助文件，关闭按钮的功能就是关闭实验。

④ 实验仪器栏：存放实验所需的仪器，可以选择其中的仪器拖放至桌面，鼠标指针触及仪器，实验仪器栏会显示仪器的相关信息；仪器使用完后，则不再允许拖动仪器栏中的仪器。

⑤ 提示信息栏：显示实验过程中的仪器信息、实验内容信息、仪器功能按钮信息等相关信息，按F1键可以获得更多帮助信息。

⑥ 实验状态辅助栏：显示实验名称和实验内容信息（多个实验内容依次列出），当前实验内容显示为红色，其他实验内容显示为蓝色；可以通过单击实验内容进行实验内容之间的切换。切换至新的实验内容后，实验桌上的仪器会重新按照当前实验内容进行初始化。

6.2 用电磁感应法测交变磁场

在实际应用中常常需要知道载流导体产生的磁场分布。从原则上讲，利用毕奥-萨伐尔定律可以计算出载流导体产生的磁场，但是大多数情况下的计算十分复杂、困难。因此，常常需要设计其他的实验方法去测量磁场。本实验中所用的探测线圈是常用的测量磁场的方法。 【实验目的】

1）掌握探测线圈法测量交变磁场的方法。

2）学会测量螺线管轴线上的磁场分布。 3）加深对电磁感应定律及磁场特征的理解。 【实验器材】

被测铜导线螺线管、探测铜导线螺线管、频率计、毫米刻度尺、电源、导线、单刀双掷开关、电流表、电压表、计算机等。 【实验原理】

测螺线管内磁场的实验界面如图6-2-1所示。

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大学物理实验（第二版）

图6-2-1 测螺线管内磁场的实验界面

图6-2-2所示是一个长为2l，匝数为N的单层密绕的直螺线管产生的磁场。当导线中流过电流I时，由毕奥-萨伐尔定律可以计算出轴线上某一点P的磁感应强度为

0nIx+lx-l （6-2-1） B=-112222222[R+x+l][R+x-l]N，为单位长度上的线圈匝数；R为螺线管半径；x为P2l点到螺线管中心处的距离。在SI单位制中，B的单位为特斯拉。图6-2-2同时给出（T）B随x变化的分布曲线。

测量磁场的方法很多，其中，最简单也最常用的方法是基于电磁感应原理的探测线圈法。本实验采用此方法测量直螺线管中产生的交变磁场，其测量示意图如图6-2-3所示。

式中，0=4×10-7N/A2；n

图6-2-2 螺线管磁场

图6-2-3 探测线圈法的测量示意图

第6章 物理虚拟仿真实验

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当螺线管A中通过一个低频的交流电流i=I0sint时，在螺线管内产生一个与电流成正比的交变磁场

B(t)=Cpi(t)=B0sint

式中，Cp为比例常数。把探测线圈A1放到螺线管内部或附近，在A1中将产生感生电动势，其大小取决于线圈所在处磁场的大小、线圈结构和线圈相对于磁场的取向。探测线圈的尺寸比较小，匝数比较多。若其截面积为S1，匝数为N1，线圈平面的法向平面与磁场方向的夹角为，则穿过线圈的磁通链数为

=N1S1B(t)cos

（6-2-2）

根据法拉第定律，线圈中的感应电动势为

ddB(t)E(t)=- （6-2-3） =-N1S1cos=-N1S1cosB0cost

dtd(t)通常测量的是电压的有效值，设E(t)的有效值为V，B(t)的有效值为B，则有V=N1S1cosB，由此得出磁感应强度

VVB= （6-2-4） =22N1S1cos2N1r1fcos式中，r1为探测线圈的半径；f为交变电源的频率。在测量过程中如始终保持A和A1在

同一轴线上，此时cos=1，则螺线管中的磁感应强度为

VB=2 2N1r12f（6-2-5）

在实验装置中，在待测螺线管回路中串接毫安计测量螺线管导线中交变电流的有效值。在探测线圈A1两端连接数字毫伏计测量A1中感应电动势的有效值。

使用探测线圈法测量直流磁场时，也可以使用冲击电流计作为探测仪器。 【实验内容】

1）进入计算机中的大学物理仿真实验系统界面，登录后，下载实验项目，安装和调试系统。

2）在保持探测螺线管不动（x=0.0cm）的情况下，研究被测螺线管线圈中电流I的大小和探测螺线管中感生电动势V之间的关系，将数据填入表6-2-1中。

表6-2-1 x=0.0cm时电流I和感生电动势V之间的关系

f/Hz V/mV I/mA 15 20 25 30 35 40 375 750 1500 316

大学物理实验（第二版）

续表 f/Hz V/mV I/mA 45 375 750 1500 50 3）在保持探测螺线管位置x=15cm的情况下，研究被测螺线管线圈中电流I的大小和探测螺线管中感生电动势V之间的关系，将数据填入表6-2-2中。

表6-2-2 x=15.0cm时电流I和电动势V之间的关系

f/Hz 1500 750 I/mA 12.5 25.0 50.0 V/mV 375 4）在保持被测螺线管中的电流I和电流频率f=1500Hz一定的情况下，研究探测螺线管线圈不同位置x和其中感生电动势V之间的关系，将数据填入表6-2-3中。

表6-2-3 f =1500Hz时线圈位置x和感生电动势V之间的关系

x/cm V/mV x/cm V/mV x/cm 1.0 9.0 14.5 2.0 10.0 15.0 3.0 11.0 15.5 4.0 12.0 16.0 5.0 12.5 16.5 6.0 13.0 17.0 7.0 13.5 17.5 8.0 14.0 18.0 V/mV 【注意事项】

1）进入大学物理仿真实验系统后，主界面不能关闭，否则会影响实验进行。 2）测量电压值的时候，每次都要先对其进行短路，然后调零，再进行测量。 【数据处理】

1）由表6-2-1分别画出电流的频率f=375Hz、750Hz、1500Hz时的V-I关系图，并进行讨论。

2）由表6-2-3画出f=1500Hz时的V-x关系图，并进行讨论。

3）由2）得到V-x关系图后，将其与B-x关系的理论图进行比较，找出B与V的关系。

4）分别计算表6-2-1和表6-2-2中频率f=750Hz、电流I=25mA时，磁场强度的理论值BL和实验测量值BS之间的误差，即E=BL-BSBL×100%。

第6章 物理虚拟仿真实验

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思考与练习

用探测线圈法测量磁场时，为何产生磁场的导体中必须通过低频交流电流，而不能通过高频交流电流？

6.3 用光强调制法测光速

光速是物理学中重要的基本常数之一，也是所有频率的电磁波在真空中的传播速度。历史上测量光速的方法可以分为天文学测量方法、大地测量方法和实验室测量方法等。

1607年，伽利略最早提出用大地测量方法来测量光速。1676年，丹麦天文学家罗默通过观察从卫星蚀的时间变化和地球轨道直径求出了光速。1728年，英国天文学家布莱德雷采用恒星的光行差法测量了光速。这些是天文学测定光速的方法。1849年，法国人菲索第一次在地面上设计转齿轮装置测定光速。1850年，法国物理学家傅科利用设计的转镜法测出的光速是298000km/s。另外傅科还测出了光在水中的传播速度，它小于光在空气中的速度，彻底否定了光的经典微粒说。1928年，卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。1951年，贝奇斯传德用这种方法测出的光速是299793km/s。 【实验目的】

1）掌握光强调制法测光速的原理。

2）了解光速测定仪的结构，并理解李萨如图形的成像原理。 【实验器材】

光速测定仪、示波器、信号发生器、透镜（2个）、直角反光镜、水管（长1m）。 各实验器材的功能介绍如下。

1）信号发生器：信号发生器的调节界面如图6-3-1所示。