ＤＩＳ磁學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)二例

摘要：通過(guò)兩個(gè)DIS磁學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，揭示了DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)變革的重要作用。

關(guān)鍵詞：DIS；地磁場(chǎng)矢量；磁力勢(shì)能

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-6148(2008)1(S)-0007-3

DIS(Digital Information System)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量工具和數(shù)據(jù)處理方法的革命。定量、精確、快速是DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技能是DIS實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的整合代表了新物理實(shí)驗(yàn)改革的方向。隨著DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，使得很多原來(lái)無(wú)法讓學(xué)生看明白的物理現(xiàn)象可以清楚的展現(xiàn)在學(xué)生面前，使得很多抽象的物理原理可以通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

1 地磁場(chǎng)矢量性研究實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)背景：地磁場(chǎng)比較弱并且一般情況下由地磁場(chǎng)引起的感應(yīng)電流很小，普通的靈敏電流計(jì)也無(wú)法測(cè)量出來(lái)，但在“DIS”物理實(shí)驗(yàn)中，我們就能很容易觀察到單匝線(xiàn)圈在地磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，原因是利用了具有很高靈敏度的電流傳感器。那么，我們能否運(yùn)用磁傳感器來(lái)進(jìn)行地磁場(chǎng)矢量性研究呢？在自主探究中我們發(fā)現(xiàn)改變磁傳感器的位置和方向，可以測(cè)到磁感應(yīng)強(qiáng)度的明顯變化，但是，磁傳感器測(cè)到的永遠(yuǎn)是某一方向上磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，它不能測(cè)出任何一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，并且磁傳感器顯示的值，根據(jù)選取的零點(diǎn)不同而不同，就好像電勢(shì)和重力勢(shì)能，選擇的零點(diǎn)不同，測(cè)出的大小也不同。下面我們先觀察圖1中地球周?chē)拇艌?chǎng)和磁南極、磁北極與地理的北極、南極之間的關(guān)系，根據(jù)圖示，畫(huà)出自己所在位置地磁的矢量圖（如圖2）。

把地球看作一個(gè)磁體，地球在地面上某點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度可分解為水平和豎直兩個(gè)方向。在水平面，磁場(chǎng)方向由南指向北，即指南針?biāo)傅姆较颉５卮艌?chǎng)在豎直方向也有分量，且豎直向下，如圖2所示。地磁究竟有多大，它的矢量性表現(xiàn)在哪里？我們需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量、證明。因此，實(shí)驗(yàn)的目的是：測(cè)量地磁場(chǎng)不同方向上的分量及地磁場(chǎng)與水平方向的夾角等等，然后進(jìn)行研究方案和實(shí)驗(yàn)步驟的確定。

討論方案：

（1）測(cè)量地點(diǎn)的選擇：必須選擇一個(gè)周?chē)鷽](méi)有鐵磁金屬物體和強(qiáng)磁場(chǎng)的區(qū)域，在無(wú)外界干擾的情況下進(jìn)行測(cè)量。

（2）測(cè)量方法的探討：地磁場(chǎng)隨著位置的改變而改變，用試探法確定一個(gè)固定點(diǎn)，研究不同方向的地磁場(chǎng)分量。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）用水平儀調(diào)整支架，位置低的點(diǎn)用小紙片墊平。

（2）拿一張紙，沿橫、豎兩個(gè)方向?qū)φ?，確定一個(gè)原點(diǎn)。確定原點(diǎn)的位置后，固定該紙張。將一小磁針?lè)庞谠撛c(diǎn)，確定地磁場(chǎng)的大概方向。過(guò)此原點(diǎn)做沿著磁場(chǎng)方向的直線(xiàn)和垂直于磁場(chǎng)方向的直線(xiàn)（如圖3）。

（3）如圖4所示，將磁傳感器中心對(duì)準(zhǔn)原點(diǎn)，測(cè)量不同方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度。記錄傳感器顯示最大和最小數(shù)據(jù)的方向。

（4）根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，設(shè)置如圖5界面，以顯示最小數(shù)據(jù)的方向，設(shè)置零點(diǎn)，改變磁傳感器方向，測(cè)出水平面內(nèi)不同方向上和豎直方向上磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法

（1）由于傳感器的特殊性，會(huì)發(fā)生零點(diǎn)微偏，測(cè)數(shù)據(jù)前先要進(jìn)行調(diào)零，每次測(cè)量必須在同一點(diǎn)調(diào)零。

（2）由于傳感器的靈敏度為0.0025mT，數(shù)據(jù)呈跳躍式變化，因此要增大數(shù)據(jù)采集數(shù)量，取其平均值進(jìn)行比較。

（3）為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，在同一方向進(jìn)行正反兩次測(cè)量。該方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度取B=B正-B反2

（4）磁傳感器中心不可能和所選的原點(diǎn)完全重合，在測(cè)量豎直方向的磁場(chǎng)時(shí)，由于裝置的限制性，只能測(cè)到豎直向下的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于支架上有銅導(dǎo)線(xiàn)，2+（見(jiàn)圖5）方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度也測(cè)不到。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表1）：?jiǎn)挝唬╩T）

從地磁場(chǎng)矢量性研究試驗(yàn)可以看出，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使得很多原來(lái)無(wú)法讓學(xué)生看明白的物理現(xiàn)象可以清楚地展現(xiàn)在學(xué)生面前。DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅提供了創(chuàng)新的環(huán)境，拓展了思維，而且將以前無(wú)法探知的物理規(guī)律也可以通過(guò)DIS進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，給物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了新變革。

2 磁力勢(shì)能測(cè)量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)背景及實(shí)驗(yàn)?zāi)康模洪_(kāi)發(fā)更多的DIS實(shí)驗(yàn)以解決物理教學(xué)中的難點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，積極引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性的探索，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性，是實(shí)現(xiàn)“以人為本”教學(xué)理念的重要途徑之一。比如：磁相互作用形成的磁力勢(shì)能^[1]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)磁力勢(shì)能），在高中物理知識(shí)中并沒(méi)有提到過(guò)，如何研究并測(cè)量磁力勢(shì)能就是難點(diǎn)實(shí)驗(yàn)之一。因?yàn)榇帕?shì)能比較抽象，以前很難直觀的展現(xiàn)和測(cè)量，如何測(cè)量磁力勢(shì)能呢？我們仔細(xì)觀察動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)裝置，為了防止小車(chē)滑出軌道，在軌道末端放置一個(gè)磁極，小車(chē)上也安裝有同樣大小的磁極，這樣小車(chē)在運(yùn)動(dòng)到軌道末端時(shí)，由于受到磁力作用，會(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向。實(shí)質(zhì)上是小車(chē)速度先減小為0，后又加速為v。小車(chē)受到的磁力隨著距離的變化而變化，超出一定范圍后，幾乎為零。從能量守恒的角度看，在小車(chē)運(yùn)動(dòng)到末端點(diǎn)的過(guò)程中，小車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為磁力勢(shì)能，小車(chē)離開(kāi)末端點(diǎn)的過(guò)程中，磁勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：磁力勢(shì)能的測(cè)量

由以上分析，如果能知道小車(chē)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能變化，就可以知道磁力勢(shì)能的大小。但人為施加初始動(dòng)能的值是無(wú)法恒定的，且實(shí)驗(yàn)重復(fù)性差，用光電門(mén)測(cè)量速度可行，但是要想采集多個(gè)數(shù)據(jù)，光電門(mén)需要很多，不現(xiàn)實(shí)。如果用位移傳感器，最好能采用一定的措施，小車(chē)的初動(dòng)能變成一個(gè)可控制的量。我們先后采用彈簧進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，裝置如圖6，由彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，這樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以增加實(shí)驗(yàn)的控制力度，但實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)太少，小車(chē)運(yùn)動(dòng)三、四個(gè)周期就停止了，依然不能測(cè)到磁勢(shì)能隨距離變化圖線(xiàn)，原因是摩擦力存在，小車(chē)的初動(dòng)能太小，壓縮彈簧形變太大時(shí)，小車(chē)容易出軌。最終確定方案為：將導(dǎo)軌傾斜，讓小車(chē)在一個(gè)斜面上運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7，斜面傾角為θ，每次實(shí)驗(yàn)都讓小車(chē)從距離磁末端點(diǎn)0.5m處由靜止向斜下方滑行，用位移傳感器記錄小車(chē)到傳感器接收端的最遠(yuǎn)點(diǎn)距離S1和最近點(diǎn)距離S2，小車(chē)長(zhǎng)為0.168m，小車(chē)滑到接近磁末端點(diǎn)時(shí)，速度變?yōu)榱?，?dòng)能為零，這時(shí)磁力勢(shì)能的增加是以重力勢(shì)能的減少為代價(jià)的，則重力勢(shì)能減少了mg(s1-s2)sinθ，它在數(shù)值上等于此刻兩磁體相距距離為X所具有的磁力勢(shì)能。而后磁力勢(shì)能又轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，小車(chē)沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，就這樣小車(chē)在斜面上往返運(yùn)動(dòng)。如果傳感器記錄小車(chē)靜止釋放時(shí)的初始位置為S21，則X=S21+0.5-0.168-S1，因?yàn)樵谕粋€(gè)實(shí)驗(yàn)中S21的測(cè)量值是定值，所以X只隨S1的改變而改變。這樣便可以得到磁力勢(shì)能U隨磁極間距離X變化的關(guān)系曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)圖線(xiàn)如圖8和圖9：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：磁勢(shì)能隨距離變化曲線(xiàn)和擬合函數(shù)如圖10：

實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題及思考：

（1）在測(cè)量磁勢(shì)能時(shí)，不能具體確定超聲波在小車(chē)上的反射位置，所以磁勢(shì)能的測(cè)量存在系統(tǒng)誤差。

（2）位移傳感器能調(diào)到的最佳狀態(tài)是顯示數(shù)字差不超過(guò)1mm，但是一般很難調(diào)到這種狀態(tài)，一般情況下同一位置顯示數(shù)字差距在2-4mm，位移傳感器記錄的是小車(chē)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的瞬時(shí)狀態(tài)，對(duì)于這種瞬時(shí)顯示數(shù)字的不確定性只能采取多次測(cè)量取平均值的方法。

（3）在測(cè)量磁勢(shì)能時(shí)，要設(shè)法固定磁端點(diǎn)不動(dòng)，采取墊紙片等方法，本實(shí)驗(yàn)選擇在傾角3°的斜面上測(cè)量。

通過(guò)磁力勢(shì)能的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，我們看到DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)給學(xué)生提供了多視角、多方位的研究平臺(tái)，可以使學(xué)生運(yùn)用已學(xué)的物理規(guī)律對(duì)新的物理現(xiàn)象進(jìn)行多視覺(jué)感悟，有利于學(xué)生去把握研究問(wèn)題的主要特征，有利于解決教學(xué)中的難點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，促進(jìn)學(xué)生思維方式、學(xué)習(xí)方式的改變。因此，DIS能帶來(lái)更高層次的思維能力培養(yǎng)和創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)物理課程的教學(xué)模式和教學(xué)理念都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，同時(shí)DIS的應(yīng)用與培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維聯(lián)系密切。相信在未來(lái)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們會(huì)更好的利用DIS資源，真正發(fā)揮DIS的優(yōu)勢(shì)，不斷促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

［1］凌肇元主編.氣墊導(dǎo)軌上的物理實(shí)驗(yàn).科學(xué)普及出版社，1983：P171~P181

(欄目編輯 趙保鋼)

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>