【名師講壇】磁感應強度的測量方法

2021-01-19 巧學妙解王

  磁感應強度B是物理學中的一個重要物理量,在科學研究中常需要測量某區域的磁感應強度,於是人們就設計了許多間接的測量方法?下面就中學階段能夠解決的有關磁感應強度的測量問題歸類例析,以饗讀者.

一、利用霍爾效應的原理測量

     將長為a、寬為c,高為b的導體板放在水平方向的勻強磁場中,並通有垂直於磁場方向的電流時,在導體板的上下兩側面間會出現電勢差,這個現象稱為霍爾效應.實驗表明,當磁場不太強時,電勢差U、電流I和B的關係為U=k ,式中比例係數k稱為霍爾係數.利用霍爾效應的原理可以製造磁強計,測量磁場的磁感應強度.

【調研1】據報導,我國最近實施的「雙星」計劃所發射的衛星中放置一種磁強計,用於測定地磁場的磁感應強度等研究項目,磁強計的原理為:如圖所示,一塊導體板接上M、N、P、Q四個電極,將導體板放在勻強磁場中,M、N間通以電流I,P、Q間就會出現電勢差U,只要測出PQ間的電勢差U,就能測出磁感應強度B,試說明其測量原理.


 【解析】設PQ間的電勢差U已達穩定狀態,則U=Eb

此時導體中的自由電荷受到的電場力與洛倫茲力相平衡,即qE =qBv,式中v為自由電荷的定向移動速度.

    由此可知


 設導體中單位體積內的自由電荷數為n,則電流為I=nqSv,式中S為導體的橫截面積,且S=bc,故
其中霍爾係數,代入上式得
    可見,B∝U,這樣,只要將此裝置先在已知磁場中定出標度,就可通過測定電勢差U來確定磁感應強度B的大小了.

二、利用電流天平測量

   天平是根據槓桿平衡原理製成的能精密測量物體質量的實驗室常用儀器,利用如圖所示的安培秤還能精密地測定勻強磁場的磁感應強度,其測量原理是:磁場對電流有安培力F的作用,天平平衡時左右兩盤對橫梁的拉力是相等的,然後根據安培力的公式F=BIL就可以求出磁感應強度B.


【調研2】安培秤如圖所示,在它的右盤下面懸掛一個矩形線圈abcd,線圈共有N匝,把它的下半部分放在勻強磁場B中,cd邊水平且長為L,它與B垂直.當線圈中通有順時針方向的電流I,在左盤中放入質量為m1的砝碼,右盤中放入質量為m2的砝碼時,天平恰好平衡.然後使電流反向(大小不變),這時需要在右盤中加一質量為△m的砝碼,才能使天平再次達到平衡,試求虛線區域內磁感強度B的大小.

【解析】前後兩次安培秤平衡時cd邊受安培力的方向相反,大小均為

F= NBIL  ①

    根據天平的原理很容易得出安培力 F= 1/2△mg   ②

解以上兩式得磁感應強度:

三、利用功能關係測量

   做功的過程就是能量轉化的過程,力對物體做了多少功,就有多少能量發生了轉化,所以功是能量轉化的量度,有時候涉及到彈簧問題,只要找出彈簧的彈力做的功與磁場能之間的關係,就能測出磁感應強度的大小.

【調研3】磁場具有能量,磁場中單位體積所具有的能量叫做能量密度,其值為 ,式中B為磁感應強度,μ是磁導率,在空氣中μ為一已知常數:為了近似測得條形磁鐵磁極端面附近的磁感應強度B,一學生用一根端面面積為A的條形磁鐵吸住一相同面積的鐵片P,再用力將鐵片與磁鐵拉開一段微小距離△l,並測出拉力F,如圖所示.因為F所做的功等於間隙中磁場的能量,所以由此可得磁感應強度B與F、A之間的關係為B=                                 

   

【解析】在用力將鐵片與磁鐵拉開一段微小距離△l的過程中,拉力F可認為不變,因此,F所做的功為:W=F△l

  以ω表示間隙中磁場的能量密度,則間隔中磁場的能量E=ωV=ωA△l

由題給條件 



因為F所做的功等於間隙中磁場的能量,即W=E;

故有

 

解得


巧學巧練

1.如圖所示的天平可用來測定磁感應強度.天平的右臂下面掛有一個矩形線圈,寬為L,共有n匝,線圈的下部懸在勻強磁場中,磁場方向垂直紙面.當線圈中通有電流I(方向如圖)時,在天平左、右兩邊加上質量各為m1、m2的砝碼,天平平衡.當電流反向(大小不變)時,右邊再加上質量為m的砝碼後,天平重新平衡,由此可知    (   )


2.圖中虛線框內存在一沿水平方向、且與紙面垂直的勻強磁場。現通過測量通電導線在磁場中所受的安培力,來測量磁場的磁感應強度大小、並判定其方向。所用部分器材已在圖中給出,其中D為位於紙面內的U形金屬框,其底邊水平,兩側邊豎直且等長;E為直流電源;R為電阻箱;A為電流表;S為開關。此外還有細沙、天平、米尺和若干輕質導線。

(1)在圖中畫線連接成實驗電路圖。

(2)完成下列主要實驗步驟中的填空

①按圖接線。

②保持開關S斷開,在託盤內加入適量細沙,使D處於平衡狀態;然後用天平稱出細沙質量m1。

③閉合開關S,調節R的值使電流大小適當,在託盤內重新加入適量細沙,使D________;然後讀出___________,並用天平稱出_______。

④用米尺測量_______________。

(3)用測量的物理量和重力加速度g表示磁感應強度的大小,可以得出B=_________。

(4)判定磁感應強度方向的方法是:若____________,磁感應強度方向垂直紙面向外;反之,磁感應強度方向垂直紙面向裡。


參考答案

1.答案為B

A、當B的方向垂直紙面向裡,開始線圈所受安培力的方向向向下,電流方向相反,則安培力方向反向,變為豎直向上,相當於右邊少了兩倍的安培力大小,所以右邊應加砝碼,有mg=2NBIL,所以B=mg/2NIL.故A錯誤,B正確.

    C、當B的方向垂直紙面向外,開始線圈所受安培力的方向向向上,電流方向相反,則安培力方向反向,變為豎直向下,相當於右邊多了兩倍的安培力大小,需要在左邊加砝碼.故C、D錯誤.故選B.

2.

(l)根據實驗目的和電磁天平的原理,將電源、開關:電阻箱、電流表及U形金屬框串聯起來,連接成電路圖.


    (2)設金屬框質量為M,託盤質量為m.第一次操作中未接通電源時由平衡條件:Mg=(m0+m1)g.

第二次接通電源後,加入適量細沙m2使D重新處於平衡狀態,然後讀出電流表的示數I,並測量出金屬框D的底邊長度l;

3.

4.m2>m1


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