1、電磁小火車(chē)實(shí)驗(yàn)電磁小火車(chē)實(shí)驗(yàn) 上海上海第二工業(yè)大學(xué)第二工業(yè)大學(xué) 15光電光電A1 : 桂進(jìn)雄桂進(jìn)雄 研究步驟：研究步驟： （1）實(shí)驗(yàn)材料選擇及要求 （2）實(shí)驗(yàn)裝置制作方法及要求 （3）實(shí)驗(yàn)預(yù)先探究 （4）電路原理分析 （5）實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象 （6）動(dòng)力原理分析（宏觀與微觀） （7）影響因素及相關(guān)參量 （8）功率因素的相關(guān)參量及理論分析 （9）具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式推導(dǎo) 實(shí)驗(yàn)材料：實(shí)驗(yàn)材料： 1.5V干電池一節(jié)干電池一節(jié) 細(xì)銅線細(xì)銅線 扁圓住狀銣鐵硼磁鐵石兩個(gè)扁圓住狀銣鐵硼磁鐵石兩個(gè) 操作操作問(wèn)題問(wèn)題： 銅導(dǎo)線需要有什么要求？ 磁鐵石的選擇有什么要求？ 操作方法操作方法： 將銅導(dǎo)線繞于一個(gè)直徑大于磁鐵石

2、直徑的光滑圓柱管上制成 類(lèi)似彈簧狀的螺旋線圈，各環(huán)銅線互不相碰。最后將線圈抽 出制成實(shí)驗(yàn)螺旋線圈。再將磁鐵石吸在電池兩端做成小火車(chē)。 實(shí)驗(yàn)問(wèn)題探究：實(shí)驗(yàn)問(wèn)題探究： 系統(tǒng)動(dòng)力從何而來(lái)？ 電池兩端磁鐵安放應(yīng)該如何？ 展開(kāi)如下探究：展開(kāi)如下探究： 先用有絕緣皮的導(dǎo)線制作一個(gè)簡(jiǎn)易的螺旋管，然后用 一個(gè)帶孔的磁鐵（磁極為正反兩面）套在一個(gè)光滑棒 上伸入螺線管內(nèi)，然后通電，滑動(dòng)磁鐵在螺線管中的 位置探究磁鐵受力情況。 探究發(fā)現(xiàn)：探究發(fā)現(xiàn)： 磁鐵的受力在螺線管兩端有明顯的表現(xiàn)，在螺線管中 部沒(méi)有明顯的受力運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。 再次用電池磁鐵組成的系統(tǒng)做預(yù)先實(shí)驗(yàn)：再次用電池磁鐵組成的系統(tǒng)做預(yù)先實(shí)驗(yàn)： 調(diào)整磁鐵方向，以及

3、改變電流方向探究小火車(chē)受力情況。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 磁鐵兩極要同極相對(duì)才 有單方向的受力； 內(nèi)部相對(duì)的極性與小火 車(chē)運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)； 電流方向也與小火車(chē)的 運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)； 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出分析：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出分析： 小火車(chē)能順利的跑起來(lái)小火車(chē)能順利的跑起來(lái) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 小小火車(chē)動(dòng)了起來(lái)，并發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向只與兩磁鐵石相對(duì)的極火車(chē)動(dòng)了起來(lái)，并發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向只與兩磁鐵石相對(duì)的極 性以及螺旋線圈繞向有關(guān)。（如果固定線圈繞向以及磁鐵性以及螺旋線圈繞向有關(guān)。（如果固定線圈繞向以及磁鐵 的安放，那么這個(gè)小火車(chē)就有一個(gè)固定的車(chē)頭，電池正極的安放，那么這個(gè)小火車(chē)就有一個(gè)固定的車(chē)頭，電池

4、正極 或負(fù)極）?；蜇?fù)極）。 實(shí)驗(yàn)分析：實(shí)驗(yàn)分析： 調(diào)換火車(chē)頭時(shí)。相對(duì)電池：調(diào)換了正負(fù)極，電流方向隨著調(diào)換火車(chē)頭時(shí)。相對(duì)電池：調(diào)換了正負(fù)極，電流方向隨著 調(diào)換小火車(chē)方向而改變。相對(duì)磁鐵：兩磁鐵的磁極相對(duì)情調(diào)換小火車(chē)方向而改變。相對(duì)磁鐵：兩磁鐵的磁極相對(duì)情 況并沒(méi)改變（調(diào)換火車(chē)頭能使小火車(chē)返回）；況并沒(méi)改變（調(diào)換火車(chē)頭能使小火車(chē)返回）； 力的相互作用是發(fā)生在磁鐵與線圈之間的，所以磁鐵的極力的相互作用是發(fā)生在磁鐵與線圈之間的，所以磁鐵的極 性方向以及螺旋線圈的繞向可調(diào)整火車(chē)頭是電池的正極還性方向以及螺旋線圈的繞向可調(diào)整火車(chē)頭是電池的正極還 是負(fù)極是負(fù)極 扁圓住磁鐵磁場(chǎng)分布 分析磁場(chǎng)分布：分析磁場(chǎng)分布

5、： 螺旋線圈磁場(chǎng)分布 通電有效的螺旋 線圈兩端應(yīng)為電池兩 端附近處 可以從圖中看出，小火車(chē)的受力位置為兩個(gè)磁鐵，可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為磁鐵是位 于通電螺旋線圈兩端，并在之外。這樣就可與把這段線圈等效為一個(gè)條形磁鐵， 電池兩端的磁鐵就分別與這個(gè)條形磁鐵兩端相吸引和相排斥，然后這兩個(gè)力朝向 同一個(gè)方向構(gòu)成一個(gè)合力推動(dòng)小火車(chē)前行。 分析影響小火車(chē)功率和速度的相關(guān)參量：分析影響小火車(chē)功率和速度的相關(guān)參量： 摩擦因素摩擦因素 導(dǎo)線電阻導(dǎo)線電阻 單位長(zhǎng)度螺旋線圈的匝數(shù)單位長(zhǎng)度螺旋線圈的匝數(shù) 螺旋線圈半徑螺旋線圈半徑 電池內(nèi)阻電池內(nèi)阻 磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度及導(dǎo)電性能磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度及導(dǎo)電性能 電池及磁鐵質(zhì)量電池及磁鐵質(zhì)量

6、總之小火車(chē)要跑的快，所受的合力就要大。而合力的產(chǎn)生是來(lái)源于磁 鐵與線圈的相互作用，這個(gè)合力的大小就取決于兩者的磁場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)于磁 鐵的磁力大小是屬于磁鐵的固有性質(zhì)，線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度就與電流及 線圈纏繞密度（螺旋線圈單位長(zhǎng)度的匝數(shù)）有直接的關(guān)系。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度， 摩擦因素對(duì)它的速度也有直接的影響。 進(jìn)一步的理論分析：進(jìn)一步的理論分析： 對(duì)于繞的很密的螺旋線圈，每匝通電線圈都可看成圓電流，對(duì)于繞的很密的螺旋線圈，每匝通電線圈都可看成圓電流， 在線圈軸線上的每點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度等于各匝線圈在該點(diǎn)產(chǎn)生磁在線圈軸線上的每點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度等于各匝線圈在該點(diǎn)產(chǎn)生磁 感應(yīng)強(qiáng)度的矢量和。感應(yīng)強(qiáng)度的矢量和。 微觀動(dòng)力原理及

7、微觀電學(xué)分析： 在小火車(chē)啟動(dòng)的瞬間（速度為零）電流方向就是粒子相對(duì)磁場(chǎng)的方向（沿y軸），洛 倫茲力也就垂直于導(dǎo)線（沿x軸）。此時(shí)洛倫茲力不會(huì)影響電流，只是從宏觀上表現(xiàn) 出安培力，這個(gè)安培力的反作用力也就是小火車(chē)的動(dòng)力。此刻電路為純電阻電路。小 火車(chē)啟動(dòng)后，載流粒子又有了一個(gè)沿x軸方向的速度，這個(gè)速度產(chǎn)生的洛倫茲力沿y軸 方向，并且與電流方向相反，形成了一個(gè)電流阻力從而抑制了電流（非純電阻）。 對(duì)線圈中載流粒子的分析：導(dǎo)線中的一些載流 粒子所處的磁場(chǎng)必然會(huì)有一個(gè)磁場(chǎng)分量過(guò)原點(diǎn) 垂直于xoy面，從而也有一個(gè)洛倫茲力分量平 行于xoy平面對(duì)載流粒子產(chǎn)生影響（宏觀表現(xiàn) 出力的作用，微觀影響電流）。 小

8、火車(chē)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了洛倫茲力產(chǎn)生分量沿電流的反方向使得電流減弱，從而總功率減弱。電流的減 弱使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)減弱，從而使動(dòng)力減弱，直到與摩擦力相等達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)。 這個(gè)影響電流的洛倫茲力也就形成了一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)與外部電壓相消達(dá)到減弱電流的作用。 我們通過(guò)如下實(shí)驗(yàn)來(lái)證明反電動(dòng)勢(shì)的存在，于是根據(jù)這個(gè)理論列出相關(guān)表達(dá)式。 我們使螺旋線圈豎 起來(lái)，然后用一組 磁鐵從上端拋下。 用萬(wàn)用表調(diào)到電壓 檔或電流檔最小量 程，再把表筆接到 螺旋線圈兩端。 對(duì)于整個(gè)小火車(chē)系 統(tǒng)（包含線圈）對(duì) 外是沒(méi)有機(jī)械功率 輸出的，機(jī)械功率 是電池和磁鐵相對(duì) 于線圈來(lái)說(shuō)的。 E=BLv=kv F=BLI=kI 小火車(chē)的整個(gè)系統(tǒng)也相當(dāng)于

9、一個(gè)線性電機(jī)（直線電機(jī)）。螺 旋線圈相當(dāng)于電機(jī)定子（初級(jí)），電池和磁鐵相當(dāng)于電機(jī)轉(zhuǎn) 子（次級(jí)）。 可以看成一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開(kāi)，并展成平面而成。 小火車(chē)的運(yùn)行就相當(dāng)于一臺(tái) 無(wú)負(fù)載的直線電機(jī)運(yùn)行。它 的功率因素也和直線電機(jī)類(lèi) 似。自然也和普通的電機(jī)類(lèi) 似。 從微觀上分析系統(tǒng)受力：從微觀上分析系統(tǒng)受力： 對(duì)磁體：對(duì)磁體： 近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，組成分子或原子中的電子，不僅存在繞原子核的軌道近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，組成分子或原子中的電子，不僅存在繞原子核的軌道 運(yùn)動(dòng)，還存在自旋運(yùn)動(dòng)。這兩種運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生磁效應(yīng)，把分子或原子看成運(yùn)動(dòng)，還存在自旋運(yùn)動(dòng)。這兩種運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生磁效應(yīng)，把分子或原子看成 一個(gè)整體，分子或原

10、子中各電子對(duì)外界產(chǎn)生的磁效應(yīng)的總和，可等效于一一個(gè)整體，分子或原子中各電子對(duì)外界產(chǎn)生的磁效應(yīng)的總和，可等效于一 個(gè)圓電流，稱為分子電流。這種分子電流的磁矩稱為分子磁矩，在忽略原個(gè)圓電流，稱為分子電流。這種分子電流的磁矩稱為分子磁矩，在忽略原 子核中質(zhì)子和中子自旋磁矩后，實(shí)際上它是電子的軌道磁矩和電子自旋磁子核中質(zhì)子和中子自旋磁矩后，實(shí)際上它是電子的軌道磁矩和電子自旋磁 矩的矢量和。矩的矢量和。 當(dāng)物體中的這些分子電流有了一定規(guī)律，不再雜亂無(wú)章就從宏觀上表現(xiàn)出磁性 電磁相互作用的本質(zhì)是發(fā)生在電荷之間的，因此小火車(chē)的受 力運(yùn)動(dòng)可以從電荷受力情況上來(lái)分析。 先考慮扁圓住磁鐵內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后把它看成在螺 旋線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的電荷運(yùn)動(dòng)受力（洛倫茲力）情況。 可以分析前面實(shí)驗(yàn)為何磁