验证感生电场实验设计研究

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1引言

在“感生电动势与动生电动势”一节中，人教版高中物理选修3-2教材在提出了“磁场变化时产生了电动势，哪一种作用扮演了非静电力的角色？”问题之后，就直接给出了物理学家麦克斯韦的结论:磁场变化时会在空间激发一种电场———感生电场［1］。以教师视角看，尽管结论非常直接，但却容易使正处于思维发散状态下的学生感到结论下得既突然又武断，同时也不利于学生探究能力的培养，难以让人信服。为此，笔者设计了验证感生电场存在的实验。实践证明，该实验既达到了培养学生能力的目的，又能增强教学效果。

2设计思路及实验器材

2.1设计思路。该实验设计能获得较强、持续的变化磁场，并找到一个带电粒子；在受力作用下，带电粒子的运动状态会发生改变，若改变的原因能排除是洛仑兹力，则只能是磁场变化时产生的作用力，即感生电场的作用力。2.2实验器材。FB201-Ⅰ型交变磁场实验仪、FB201-Ⅱ型交变磁场测试仪、阴极射线管、高压电源、导线。FB201-Ⅰ型交变磁场实验仪是集信号发生、信号感应、测量于一体的多用途教学实验仪器，它可以在亥姆霍兹线圈中产生磁场。经理论计算证明，给亥姆霍兹线圈通入同方向的电流，则两个线圈的合磁场在轴上(两线圈圆心连线）附近较大范围内呈均匀分布状态［2］。磁场的分布如图1所示，其中x为轴上某一点到线圈圆心O′的距离，由于通过亥姆霍兹线圈的电流是交变电流，沿两个线圈轴线方向产生的是均匀交变磁场，具有强度大、持续时间可人为确定、便于控制的优点，其磁感应强度约为1.0×10-3T。FB201-Ⅱ型交变磁场测试仪作为信号源，其激励信号的频率、输出强度均连续可调，信号频率可调范围是30～200Hz，分辨率为0.1Hz。亥姆霍兹线圈允许的最大电流是1A(50Hz），每个线圈共为400匝，线圈等效半径为105mm。带电粒子由正常工作时的阴极射线管产生，可通过打到荧光板上发出的浅绿色径迹显示粒子的运动状态。

3验证原理

将阴极射线管带电粒子径迹方向沿亥姆霍兹线圈圆心连线方向放置，此时带电粒子运动方向平行于磁场方向，不会受到洛仑兹力的作用，则带电粒子是直线径迹，表明没有感生电场产生；保持阴极射线管带电粒子径迹方向沿亥姆霍兹线圈圆心连线方向放置方式不变，给线圈通入交变电流，此时沿两个线圈轴线方向产生均匀的交变磁场，则带电粒子的径迹有规律地向着两个相反方向偏转，表明磁场发生变化并使电荷受到作用力（即感生电场的作用力），说明有感生电场存在。

4实验方法

（1）用导线将阴极射线管和高压电源连接起来，把Ⅰ型交变磁场实验仪和Ⅱ型交变磁场测试仪按照图2所示加以连接。（2）调节高压电源的输出电压，保证阴极射线管正常工作，调整阴极射线管并使带电粒子直线径迹方向与亥姆霍兹线圈轴线方向平行放置，适当远离连线，实验装置照片如图3所示。（3）保持阴极射线管和亥姆霍兹线圈放置方向不变，打开交变磁场实验装置开关，给线圈通入交变电流，观察到带电粒子的径迹有规律地向着两个相反方向偏转。（4）改变Ⅱ型交变磁场测试仪输出的交变电流信号的频率，观察到带电粒子的径迹在向两个相反方向偏转时存在快慢不同的现象。为使实验现象更加清晰，可视度更好，可以采取减少室内采光的措施，以便利用实物投影仪将装置的主要部分投影到大屏幕上。

5结语

感生电场存在的实验很少能在大学、中学教材或期刊杂志中见到，其原因是极不容易获得较强、持续的感生电场；而赫兹实验虽然能够验证感生电场的存在，但却较难做，且说服力远远不够。笔者所设计的验证实验为不同功能仪器的组合实验，利用亥姆霍兹线圈的交变磁场对运动的带电粒子作用的效果来研究感生电场的存在，直接将抽象的问题直观化、抽象的概念形象化，效果明显，能充分说明问题，易于被学生所探究和认识。FB201交变磁场实验装置是整个实验的“心脏”，它所产生的是强度大、持续时间便于人为控制的均匀交变磁场，即调整带电粒子直线径迹方向与亥姆霍兹线圈圆心连线方向平行放置（即带电粒子运动方向平行于磁场方向），是保证该实验效度和信度的关键。

作者:李斌 单位:涟源市第一中学

参考文献

［1］张大昌，彭前程，张维善.普通高中新课程标准实验教科书物理(选修3-2）[M].北京:人民教育出版社，2004.

［2］梁灿彬，秦光戎，梁竹健.电磁学[M].北京:高等教育出版社，1980.