利用ＤＩＳ探究霍爾效應(yīng)

摘要：本文介紹了在中學(xué)物理教學(xué)中利用DIS探究霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：物理教學(xué)；DIS；霍爾效應(yīng)

中圖分類號：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-6148(2008)1(S)-0053-3

1 引言

普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》講述了“霍爾效應(yīng)”，^[1]但是教材中只是簡單介紹了霍爾效應(yīng)現(xiàn)象和霍爾電壓等概念?！盎魻栃?yīng)是怎么產(chǎn)生的？”、“霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度及其他物理量有什么關(guān)系？”、“描述霍爾元件有哪些主要參數(shù)？”等內(nèi)容學(xué)生缺少感性認(rèn)識。學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)室中利用常規(guī)器材研究金屬的霍爾效應(yīng)會碰到許多困難，這是因?yàn)榻饘俚幕魻栃?yīng)很弱，一般條件下無法測量到霍爾電壓。即便是半導(dǎo)體的霍爾元件，霍爾電壓也要用數(shù)字毫伏表來測量，另外電磁感應(yīng)強(qiáng)度也不易測量。

為了幫助學(xué)生更好地進(jìn)行課題研究，我們引導(dǎo)學(xué)生利用DIS技術(shù)來探究霍爾效應(yīng)，化解課題難點(diǎn)，并取得很好的效果。

DIS（Digital Information System，即數(shù)字化信息系統(tǒng)）由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)處理軟件組成與計(jì)算機(jī)配合使用，可以實(shí)時(shí)采集、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，把實(shí)驗(yàn)結(jié)果以表格、圖像等形式顯示出來。

2 課題探究

利用DIS實(shí)驗(yàn)室，針對霍爾效應(yīng)課題研究內(nèi)容，利用磁場傳感器、微電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，觀察霍爾效應(yīng)現(xiàn)象，并研究霍爾電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)規(guī)律，總結(jié)規(guī)律。下面介紹此課題的主要內(nèi)容：定量研究霍爾電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。

2．1 實(shí)驗(yàn)電路（圖1）

2．2 探究器材

①磁場傳感器：可測量不同磁場環(huán)境下的磁感應(yīng)強(qiáng)度，解決了原先實(shí)驗(yàn)室不能測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的問題。

②微電流傳感器：量程10μA，是測定微小電流的儀器，與傳統(tǒng)的靈敏電流表相比，具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是測定電流時(shí)反應(yīng)更迅速，因此可以捕捉到很微弱的瞬時(shí)電流i的變化；二是它可以通過數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接，直接在屏幕上顯示出微小電流i隨時(shí)間t的變化圖象，可間接反映霍爾電壓的變化情況。

③蘇威爾DISLab數(shù)據(jù)采集器：采集磁場傳感器和微電流傳感器信息，并把采集到的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

④霍爾元件：有四個(gè)引腳，如圖2所示，其中1、3為輸入端，與電阻箱、開關(guān)、電池串聯(lián)。2、4為輸出端，與微電流傳感器串聯(lián)。

⑤電阻箱：1000Ω

⑥電源E：1.5V干電池

⑦條形磁鐵

⑧單刀開關(guān)S

⑨DISLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境：WINDOWS98以上操作系統(tǒng)，安裝蘇威爾數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室軟件。

2．3 探究過程

①按圖1所示電路進(jìn)行實(shí)物連線，在此實(shí)驗(yàn)中，將磁場傳感器的探測頭與霍爾元件捆綁在一起。

②接通蘇威爾DISLab實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集盒電源，打開電腦及蘇威爾DISLab專用軟件，選中“磁學(xué)：霍爾電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系界面”（圖3）。點(diǎn)擊“進(jìn)入”按鈕，會顯現(xiàn)其界面（圖4）。

③將磁場傳感器和微電流傳感器校零，然后閉合開關(guān)，點(diǎn)擊“開始”按鈕，移動條形磁鐵，軟件會在窗口自動顯示磁感應(yīng)強(qiáng)度和霍爾電流的圖象。實(shí)驗(yàn)中將條形磁鐵N極正對霍爾元件從遠(yuǎn)處慢慢靠近，后又慢慢遠(yuǎn)離；再迅速調(diào)換N和S極，將條形磁鐵S極正對霍爾元件從遠(yuǎn)處慢慢靠近，后又慢慢遠(yuǎn)離。圖5是磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化圖象，圖6是霍爾電流的變化圖象。

④對采集到的數(shù)據(jù)利用軟件進(jìn)行分析。

點(diǎn)擊“霍爾電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系”按鈕，計(jì)算機(jī)軟件自動生成霍爾電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系圖象（圖7）。利用直線擬合工具，可以得到兩者的關(guān)系式為y=0.098x+0.006，其中x軸表示磁感應(yīng)強(qiáng)度，y軸表示霍爾電流，擬合度高達(dá)99.6%，這表明在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，霍爾電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。

2．4 理論分析

如圖8所示，一塊矩形金屬薄片ABCD厚度為d，寬度為b，通有電流I，垂直金屬片加一個(gè)勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，根據(jù)經(jīng)典的金屬導(dǎo)電電子理論，參與導(dǎo)電的自由電子（圖中白色小圓點(diǎn)）由于洛倫茲力的作用而向AB一側(cè)漂移，從而堆積在AB一側(cè)，使AB一側(cè)帶負(fù)電；原子核（圖中灰色圓點(diǎn)）并不移動，CD一側(cè)原子核的正電荷多于電子的負(fù)電荷，從而帶正電，金屬中就建立起一個(gè)電場E，當(dāng)電場力等于洛倫茲力后，自由電子就不再漂移。于是有qE＝qvB。

其中q為載流子（金屬為自由電子）的電量，v為載流子定向移動的速率，由電流的微觀表達(dá)式I=nqvS，（S=bd，n為單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目）得到v，再利用電壓UH和電場E的關(guān)系，就可以得出霍爾電壓的表達(dá)式UH=IBnqd；設(shè)沿霍爾電流回路的電阻為R，根據(jù)歐姆定律可得霍爾電流的表達(dá)式

IH=UHR=IBnqdR=RHIBdR，

其中RH=1nq叫做霍爾系數(shù)。

2．5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

①在勻強(qiáng)磁場中放置一個(gè)矩形截面的載流導(dǎo)體，當(dāng)磁場方向和電流方向垂直時(shí)，導(dǎo)體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了電勢差。這個(gè)現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。側(cè)向電壓叫做霍爾電壓，側(cè)向電流叫做霍爾電流。

②在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，當(dāng)輸入電流I一定時(shí)，霍爾電流IH和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論推導(dǎo)的結(jié)論相符。

3 結(jié)束語

信息技術(shù)與物理課程的整合是時(shí)代的必然趨勢，是普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)上的新理念。新課程指出，教師既是教材的實(shí)施者，又是教材的開發(fā)者，利用信息技術(shù)進(jìn)行教材的設(shè)計(jì)和開發(fā)，有利于加速和改善學(xué)生對世界的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)生獲取信息的渠道。在探究霍爾效應(yīng)的課題中應(yīng)用DIS技術(shù)，學(xué)生很容易檢測霍爾電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，有助于學(xué)生了解霍爾效應(yīng)現(xiàn)象和理解其中包含的物理規(guī)律。并且DIS簡化了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的處理過程，大幅度提高了實(shí)驗(yàn)精度和實(shí)驗(yàn)效率。

參考文獻(xiàn)：

［1］人民教育出版社編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》（選修3-1)

(欄目編輯 王柏廬)

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”