磁力及磁势能的研究.doc

磁力及磁势能的研究 一、目的要求 1.研究磁相互作用力与间距的变化关系。 2.研究磁势能与间距的变化关系。 3.研究磁相互作用势能与其它能量的转换。 二、仪器用具 实验板，底部有可通气的小孔的磁性圆盘，记录纸，碳纸，打点计时器，气源等 三、实验原理 具有相同磁性的物体彼此靠近，受到磁力的作用磁性物体将相互排斥。所受排斥力的大小不仅与两个磁性物体本身所具有的磁性大小有关，还与两个磁性物体之间的距离有关。如果要使得两个磁性物体彼此靠近，外力必须克服两个磁性物体之间磁场力做功。假如在这个过程中可以忽略摩擦力等非保守力的影响，保持平衡的两个磁性物体之间受到磁力就等于外力的大小，由能量守恒定律外力做功的大小就等于两个磁性物体之间的磁性势能。 1.磁性势能研究 由于我们在实验中无法直接测出磁性势能，所以我们设法在实验中找到磁性势能与重力势能相互作用的平衡关系，运用能量守恒定律，通过重力势能的测量，得到磁势能。 实验是在一块实验板上进行的，磁性圆盘的底部有可通气的小孔，可以无摩擦的悬浮在实验板上，如图1所示： 图1 A-固定的磁性圆盘 B-方形铝条，宽度为x C-可移动的磁性圆盘，质量为m D-圆形铝块，高度为h -两圆盘的初始间距 -两圆盘的最大间距 S-圆盘C在实验板上运动的最大位移 磁性圆盘A和磁性圆盘C受磁力作用相互排斥，先使磁性圆盘A和磁性圆盘C保持间距，受磁力作用磁性圆盘C沿着实验板斜面向上运动，在此过程中固定磁性圆盘A位置不变，磁性圆盘C到达斜面最高点时其位移为S。由于圆盘C在起点和最高点时的动能均为零，假设运动过程中没有因摩擦而引起能量损失， 则： 磁势能的减少=重力势能的增加 即： 其中是与位移S对应的垂直高度 可写成 在实验中，相对于数值比较小，且为常数。对于确定的x值需要正确地选择高度h完成实验。因此我们选择了5组相互匹配的方形铝条和圆形铝块，用相同的颜色标志。 2.磁相互作用力的研究 我们也可以通过已知的重力与未知的磁相互作用力的平衡关系获得的测量值。 图 2 如图2所示，由受力分析可知，磁性圆盘C沿着斜面受到两个方向相反的力的作用，其重力分量mgsinθ沿斜面向下，磁性排斥力沿斜面向上，当这两个力大小相等时，磁性圆盘C处在平衡位置（磁性圆盘A是固定不动的）。平衡时磁性圆盘A和C的间距和重力分量mgsinθ大小有关，sinθ是由所垫木块的高度h决定的。 图 3 在平衡位置时，沿斜面作用在磁性圆盘上的两个力大小相等。 =mgsinθ=mgh/H 即 3.和之间的关系 实验中我们分别対磁性作用力和磁性作用能进行研究。 磁性能量研究 磁作用力研究 或 或 由于两条曲线中都包含了常数mg/H,它只是曲线图中的一个常数因子，我们需要研究hs～x 和h～x之间的关系，也就是研究之间的关系。注意，量不同于U和F，分别相差一个常数mg/H。所以在实验中是不需要测量m和H的。 本实验中将两个磁性圆盘底部有可通气的小孔，圆盘上端进气口通入一定量的压缩空气，使圆盘悬浮在实验板之上，近似认为是无摩擦地在实验板上运动。将事先调整好水平的实验板一端垫起使之成为斜面，固定其中一个圆盘，将另一个自由置于斜面固定圆盘的上方位置，通过研究自由圆盘在磁力和重力共同作用，得出磁相互作用力随两个磁性圆盘间距的变化规律及磁势能随两个磁性圆盘间距的变化规律，并且由实验作图得到磁势能与重力势能转化关系，证明磁势能的减少与重力势能的增加相等。 四、实验内容 1.测量前仪器调节： （1）将实验板和圆盘表面擦干净，在实验板上放上碳纸，其两边分别与实验板两侧平行。把记录纸放在碳纸上面，使记录纸完全盖住碳纸，铺平纸面使其尽可能平滑，用胶带纸固定。 （2）首先进行实验板的水平校准粗调：将气泡水准仪放在记录纸中心，检查水准仪中的气泡是否位于中心；如果不在中心，调节实验板各对应支脚的高度，使气泡趋于中心。然后进行实验板的水平校准细调：打开气源，压力表指针大约指向10 psi（0.8 tm），把一个磁性圆盘放在记录纸中心，另一个暂时放在实验板外，观察磁性圆盘的漂移情况：如在5秒钟内漂移初始位置的距离最多不超过2 cm，则基本可以达到实验要求。否则，重新调节实验板各支脚的高度，使之达到水平状态。实验板水平调好之后，锁定实验板的每个支脚。 （3）检测实验板水平的状态，用圆形铝块将桌面一端垫起，使之成为斜面，将米尺平行固定于实验板上，用于测量磁性圆盘沿斜面向上运动的距离。用可动的磁性圆盘作几次“发射”，仔细观察其运动情况。当磁性圆盘沿着斜面上升时，如果总是向米尺靠近，表明水平调得不合适，说明靠近米尺的实验板的一端偏低；如果总是远离米尺，说明靠近米尺的实验板一端偏高。上述两种情况都需要再次调整实验板的水平。实验板水平调整好的标准是磁性圆盘沿斜面向上运动