仿真实验---测螺线管磁场

由表一 x=0时，选取频率750Hz 电流25.0mA ，
由公式一计算：B1=0.000402特斯拉
由公式二计算：B1=0.000411特斯拉
由表二 x=L时，选取频率750Hz 电流25.0mA
由公式一计算：B2=0.000202特斯拉
由公式二计算B2=0.000219特斯拉
比较两种测量方法的优缺点，由测量的结果得出什么结论？
公式一使用的测量方法比较简单，测量的都是长度单位。在本次实验中，除x需要测量外，其余均全部给出，极大地简化了实验的过程，缺点是公式很复杂，代入计算比较麻烦；公式二采用了一个电学量v来求得磁感应强度，公式简单，有利于后期的数据处理，缺点是测量电学量会带来一定的误差，给结果造成不利影响。 由测量数据得出的结论如下： 一、用两种方法测量的数据差别很小，都达到了实验的精度要求； 二、发现结论，在误差允许的范围内，B（x=0）/B（x=L）=2。
由V-I曲线，可以得到什么规律:
根据V—I曲线，可以得知： 一、 V和I近似满足线性关系，且I越大，V越大； 二、 V—I图回归直线的斜率的大小跟外界交流电频率有关，频率f越大，斜率越大； 三、 存在一个电流I0，当螺线管电流I
由内容1表二，可以得出什么结论
当x不变时，在线圈电流与频率的乘积恒定的情况下，感应电压在误差范围内保持不变。可以推出：感应电压的大小正比于螺线管线圈电流与频率的乘积。
计算：
V(x=L)/V(x=0)0.51
以上结果是否为1/2,为什么？
可以认定。 根据公式一，将x=L=15cm和x=0代入，化简，因为R的平方远小于L的平方，可得B（x= L）/B（x=0）=1/2；根据公式二，知感应电动势V正比于B，故V（x= L）/V（x=0）= B（x= L）/B（x=0）=1/2。

作V(x)-x曲线
它的变化规律是怎样的，它是否就是相应的B(x)-x曲线？
V—X曲线的整体变化规律是：起初V随X变化很小，在感应线圈出了螺线管后，V随X迅速减小，再加大X，V的变化趋于缓慢。 在一定程度上，V—X曲线可以看成B—X曲线，这是因为感应电动势V正比于B，故V—X曲线与B—X曲线仅相差一个常数k，B—X曲线变化规律与V—X曲线一致。
内容三：
两次测得结果是否一样，为什么？
在实验误差允许的范围内，可以认为两次测得的数据是一样的。 螺线管和线圈本质上都是线圈，当一个线圈的电流发生变化时，不仅在自身线圈中产生自感电动势，同时在相邻线圈中也产生感应电动势。这种现象叫互感现象，所产生的感应电动势称为互感电动势。故改变接线方式，得到的结果仍会一致。
分析和讨论结果：
一、实验结果分析： 本次实验使用感应法测量通电螺线管内的磁感应强度，实验原理及测量过程都相对简单，从最后的实验结果来看，实验误差在允许的范围内，可以说实验是比较成功的。 二、实验误差分析： 本次实验是以微机仿真实验的方式进行，各方面的数据都能做到精确的模拟，本次实验的主要误差来自电压表读数以及电压表调零。本次实验中的电压表会不时跳动，需经常调零，读数时不可避免会产生误差。
试比较仿真实验和普通实验异同及优缺点
1）异：仿真实验的载体是微机，普通实验的载体是实验器材； 同：实验原理一致。 2）优缺点： 仿真实验的优点在于能使实验过程大大简化，节省了大量时间，也可以做一些实验器材比较昂贵的实验。缺点是直观性较普通实验差，另外对各种仪器的误差的模拟也不一定到位，此外，仿真实验不能很好地锻炼学生的动手能力。 普通实验的优点在于其直观性较好，能较好地培养学生的动手能力； 缺点是学生很难亲自动手进行实验器材比较昂贵的实验，普及性不如仿真实验；其次，普通实验的误差可能比仿真实验大，影响最后的实验结果分析；还有实验器材的老化问题，需要不时更换。
问题1：实验中在读取电压表值的时候，指针经常会移动，为什么？
因为实验采用的晶体电压表经常会短路，造成指针经常移动。
问题2：实验中在读取电压表值的时候，有效数字如何选取？
对于实验采用的电压表，若采用1V量程，精度为0.02V，应取两位有效数字；若采用0.3V量程，精度为0.01V，取三位有效数字。
问题3：为什么要在实验电路中加入单刀双掷开关
因为实验采用的晶体电压表经常短路，需要不断调零。设置一个单刀双掷开关，方便对晶体电压表的调零。

第二篇：测螺线管磁场实验报告

测螺线管磁场———实验原理

图1

   图1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在轴线上某一点P的磁感应强度为

式中，为单位长度上的线圈匝数，R为螺线管半径，x为P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（T）。图1同时给出B随x的分布曲线。

    磁场测量的方法很多。其中最简单也是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。下图是实验装置的实验装置的示意图。

  

图2

当螺线管A中通过一个低频的交流电流i(t) = I₀sinωt时，在螺线管内产生一个与电流成正比的交变磁场B(t) = C_pi(t) = B₀sinωt其中C_p是比例常数，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θ，则穿过线圈的磁通链数为:

Ψ = N₁S₁B(t)cosθ

根据法拉第定律，线圈中的感生电动势为：

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，由此得出磁感应强度：

其中r₁是探测线圈的半径，f是交变电源的频率。在测量过程中如始终保持A和A₁在同一轴线上，此时，则螺线管中的磁感应强度为

在实验装置中，在待测螺线管回路中串接毫安计用于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用于测量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，可以使用冲击电流计作为探测仪器，同学们可以参考冲击电流计原理设计出测量方法。

测螺线管磁场———实验内容

1．研究螺线管中磁感应强度B与电流I和感生电动势V之间的关系，测量螺线管中的磁感应强度。

2．测量螺线管轴线上的磁场分布。

测螺线管磁场———实验仪器

图 1 :     测量螺线管内磁场实验装置全貌

测量螺线管内磁场实验仪器包括：铜导线螺线管、霍尔元件（轴向磁场探针）、（毫）特斯拉计、电流源。

图 2 :     铜导线螺线管

图 3 :     霍尔元件（轴向磁场探针）

上图为轴向磁场探针，伸入螺线管中用于测量磁场强度，探针的另一端接在特斯拉计之上，由特斯拉计给出磁场强度的读数。

图 4 :     （毫）特斯拉计

给出磁场强度的读数。与测量直流导体外磁场中使用的特斯拉计相似。 

图 5 :     电流源

为铜导线螺线管供电，产生磁场。

实验重点

1．掌握探测线圈法测量交变磁场的方法。

2．测量螺线管轴线上的磁场分布。

3．加深理解电磁感应定律及磁场的特征。

实验难点

1．探测线圈法测量磁场的线路设计与连接，包括单刀双掷开关及交流毫伏计的使用。

2．低频信号发生器的使用。

3．互感现象的观察及线路设计。

操作指导

一、主窗口

在系统主界面上选择“螺线管磁场及其测量实验”并单击，即可进入本仿真实验平台，显示平台主窗口——实验室场景，看到实验台和实验仪器。

二、主菜单

    在主窗口上单击鼠标右键，弹出主菜单。主菜单下还有子菜单。鼠标左键单击相应的主菜单项或子菜单项，则进入相应的实验部分（图1）。

图1

实验应按照主菜单的条目顺序进行。

1．实验简介

    选择主菜单的“简介”并单击可打开实验简介文档（图2）。

图2

    鼠标移到上面蓝条处将显示操作提示，双击即可返回实验平台。

2．实验仪器

    选择主菜单的“实验仪器”并单击可打开实验仪器文档，操作与查看实验简介完全类似。

3．实验原理

    包括子菜单项“实验原理一”和“实验原理二”。

    选中“实验原理”的“实验原理一”子菜单项并单击，将显示实验原理一，如图3。

图3

    用鼠标操作滚动条，可使画面上下滚动。

    鼠标移到上面蓝条处将显示操作提示，双击可返回实验平台。

    选择“实验原理”的“实验原理二”子菜单项并单击，将显示实验原理二，与“实验原理一”操作相同。

4．实验接线

选择“接线”并单击进入接线界面。本实验中晶体管毫伏表读数会随时间产生漂移，所以做本实验的关键是要对晶体管毫伏表经常短路调零以消除误差。为方便计，宜加一单刀双掷开关。正确接线图（不止一种）可参见图4。

图4

    接线时选定一个接线柱，按住鼠标左键不放拖动，一根直导线即从接线柱引出。将导线末端拖至另一个接线柱释放鼠标，即可连接这两个接线柱。删除两个接线柱的连线，可将这两个接线柱重新连接一次。

    接线完毕单击鼠标右键弹出菜单，选择“接线完毕”来判断接线是否正确，接线正确后才能开始实验。选择“重新接线”可删除所有导线。

5．实验内容

    接线正确后此菜单项才会有效。此菜单包括子菜单项“内容一”、“内容二”和“内容三”。单击子菜单项“内容一”即可进入实验内容一进行实验，如图5。

图5

仪器的基本操作方法

    (1) 旋钮的操作方法：所有的旋钮，其操作方法是一致的，即：用鼠标右键单击，则旋钮顺时针旋转；用鼠标左键单击，则旋钮逆时针旋转。包括旋钮“输出调节”，“调零旋钮”，以及频率调节。

    (2) 按钮的操作方法：用鼠标左键单击即可按下或弹起按钮。包括“衰减”和“频率倍乘”按钮。

    (3) 拨动开关的操作方法：操作非常简单，用鼠标左键单击开关即可改变开关的状态。

    (4) 探测线圈的粗调和细调，单刀双掷开关的操作和旋钮的调节一样。

    (5) 毫伏表“量程”的调节和开关的操作一样。

    (6) 单刀双掷开关的刀打到左边是调零位置，可调节“调零旋钮”调零；打到中间是断路位置；打到右边是测量位置，可以测量电路的电压。

    在此界面的上部单击鼠标右键将弹出主菜单，做完实验内容一后选择实验内容二、实验内容三继续实验。

    实验时点击“实验参数”可打开实验参数文档，双击其上的蓝条关闭此文档；点击“实验内容”打开实验内容文档，双击其上的蓝条关闭此文档；实验时按实验内容文档的步骤进行实验，点击“数据记录及处理”打开数据处理窗口，将测量数据记录到相应的位置，数据处理窗口如图6。

图6

    输入数据时在所要输入的空格处单击鼠标左键，再用键盘输入数据即可。

    画线时先在坐标图上单击鼠标左键描点，描点完毕点击“画线”可画线，如描点错误可在错点处再单击鼠标左键即可删除该点，点击“清画布”可删除所有点，点击“返回”返回实验操作界面。

6．实验报告

    选择“实验报告”菜单项并单击，可调用实验报告系统，将前面所得数据记录到实验报告中以备教师检查，具体操作见实验报告说明。

7．退出：退出实验平台。