一、实验目的:
1.观测磁阻尼现象。
2.学习测量磁阻尼和动摩擦系数的方法。
3.了解磁阻尼系数、动摩擦系数的概念。
二、实验原理:
1.磁阻尼现象
当大块金属与磁场有相对运动或处在变化磁场中时,会产生电磁感应现象,在金属块内会激起感应电流,由楞次定律可以判定,感应电流的效果是反抗引起感应电流的原因,因此金属块的运动要受到与运动方向相反的阻力——感应电流受到的磁场安培力作用。感应电流产生的机械效应即为磁阻尼现象。
2.磁阻尼系数和动摩擦系数的测定原理
磁性滑块在非铁磁质良导体斜面上匀速下滑时,滑块受的阻力除滑动摩擦力FS外,还有磁阻尼力FB。
设磁性滑块在斜面处产生的磁感应强度为B;滑块与斜面接触的截面不变,其线度为l。当滑块以匀速率v下滑时,可看作斜面相对于滑块向上运动而切割磁感应线。由电磁感应定律,在斜面上的切割磁感应线部分将产生电动势E=Blv,如果把由于磁感应产生的电流流经斜面部分的等效电阻设为R,则感应电流应与速度v成正比,即为I=Blv÷R,此时斜面所受到的安培力F正比于电流I,即为F∝I 。而滑块受到的磁阻尼力FB就是斜面所受安培力F的反作用力,方向与滑块运动方向相反。由此推出:FB应正比于v,可表达为FB=Kv(K为常数,将它称为磁阻尼系数)。因为滑块运动是匀速的,故它在平行于斜面方向应达到力平衡,从而有:
W sinθ=Kv+μW cosθ (10-1)
式(10-1)中W是滑块所受重力,θ是斜面与水平面的倾角,μ为滑块与斜面间的滑动摩擦系数。若将方程式(10-1)的两边同时除以W cosθ,可得方程:
tanθ=(K÷W)×(v÷cosθ)+μ (10-2)
显然,tanθ和V÷cosθ成线性关系(y=ax+b)。作出tanθ -V÷cosθ直线图,可得斜率a和截距b
K=a·W (10-3)
μ=b (10-4)
三、实验仪器:
磁阻尼和动摩擦系数测定仪、霍尔开关用计时仪、磁性滑块、3根导线、米尺。
将胶带分别粘于磁性滑块的两滑动面上和铝质斜面上,对其动摩擦系数进行研究。
四、实验内容及步骤:
⑴.将两传感器的V+、V-和OUT接头分别与计时仪的5V、GND和INPUT接线柱相接。
⑵.调节夹子M,使斜面具有某一倾角,调节螺钉3,使滑块下滑时不往旁边偏离。
⑶.测量重垂线和底边的长度,计算倾角的大小。
⑷.使滑块从斜面上端开始向下滑动,滑块的蓝色面朝下,滑块不仅受到滑动摩擦力的作用,而且还受到磁阻尼力的作用。
⑸ 在约20°<θ<45°的范围内到匀速下滑的实验条件,对于同一θ值,让滑块从不同的高度滑下,由通过两传感器的时间相同,来说明滑块在A、B间的运动是匀速的。
1.霍尔开关用计时仪,它由5V直流电源和电子计时器组成;
2.铝质槽形斜面,可通过夹子M的上下移动来调节倾角θ,在斜面的反面A、B处分别装1个霍尔开关,用计时仪可测量滑块通过A、B的时间;
3.调节斜面横向倾角的螺钉,以防滑块在下滑过程中靠近某一侧;
4.重锤,用来确定底边L和高H的长度,得出θ并计算tanθ和cosθ的值;
5.磁性滑块,它是在圆柱形非磁性材料的一个滑动面上粘一薄片磁钢制成的,因而在这一面附近的磁感应强度较强,而另一面由于离磁钢较远,所以它附近的磁感应强度很弱,可忽略不计。为了区别,将强磁场面涂成蓝色,弱磁场面涂成红色。

⑹.倾角不变,使滑块从不同高度c1,c2,…等处滑下,记录滑块通过A、B两点的时间。求取平均值。
⑺.测量A、B两点间的距离,计算滑块下滑速度。
⑻.改变倾角θ,按以上步骤再次测量。
⑼.测量滑块质量m。
⑽.作出tanθ -V÷cosθ直线图,由此图求出斜率a、截距b。根据式(3)、(4)计算磁阻尼系数K和滑动摩擦系数μ。
⑾.用MIN二乘法进行数据处理,计算磁阻尼系数K和滑动摩擦系数μ。
五、数据记录
斜面的倾角
| 滑块从不同高度下滑通过A、B两点间的时间T(s)
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L(m)
| H(m)
| θ(°)
| C1
| C2
| C3
| C4
| C5
| T(s)
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AB距S= 滑块质量m=
六、注意事项
⑴.按实验示意图连接导线后,接通霍尔开关计时仪的电源,在滑块下滑前按下计时仪的RESET键,复零计时数。
⑵.滑块接触导轨面的磁性为N极,在滑块滑到①对应导轨下面的霍尔开关位置时,会使霍尔开关传感器输出低电平,计时仪上相应的指示灯发光,计时仪开始计时;在滑块再滑到②对应导轨下面的霍尔开关位置时,霍尔开关传感器输出低电平,计时仪上相应的指示灯发光,计时仪停止计时,并保持所计的时间到按RESET键前。若滑块接触导轨面的磁性为S极,不会使霍尔开关传感器输出低电平,计时仪不计时。
⑶.由于滑动摩擦系数与接触表面有关,实验前擦拭实验导轨和实验滑块。注意湿度和灰尘对滑动摩擦的影响。
七、思考题
1.磁阻尼系数的大小与哪些因素有关?