電磁裝置設計原理講義

A. 華科電磁裝置設計原理作業怎麼做

從近幾年的高考來看，理綜卷對物理實驗的考察，已成為高考的熱門題目。所考察的內容也並非教材中已成型實驗，而是以所掌握的實驗原理、技能自行設計為主。它要求學生能明確實驗目的，理解實驗原理，控制實驗條件；會運用已學過的實驗方法；會正確使用實驗中用過的儀器；會觀察、分析實驗現象，處理實驗數據，並得出結論。
設計性實驗是近幾年高考熱點也是得分難點。鑒於此，對物理實驗的復習，提出以下看法：

一是基本儀器的使用仍是實驗復習的基礎。

不管上一年度有無考到儀器的使用，我們對常用的物理儀器要熟練運用，這是實驗的基礎，是實驗的工具，任何時侯都不過時。在這方面花些時間是必需的。常見的有十三種儀器，這十三種儀器是刻度尺、游標卡尺、螺旋測微器、天平、秒錶、打點計時器、彈簧稱、溫度計、電流表、電壓表、多用電表、滑動變阻器、電阻箱等等。這些工具的使用每本復慣用書上都有很詳細的說明，本文不再多言。

二要從多種視角重新審視和組合實驗板塊。

在物理實驗總復習中，我們不應孤立地看待一個個實驗，而應該從這些實驗的原理、步驟、數據採集與處理方式的異同上，給這些實驗分門別類，從而組成不同的實驗板塊。平時我們已經自覺或不自覺地把實驗分成力學實驗板塊、電學實驗板塊、熱學實驗板塊、光學實驗板塊。但這樣的處理只是簡單地重復了物理課本知識的體系，大多數情況下也是為了講解的方便，沒有多大的創意，對於學生思維的開發和對實驗的科學思維方式的培養顯得很不夠的。在此，我認為我們要在這些實驗的組合板塊中挖掘一些功能，培養學生一種實驗的常規意識，比如對於力學板塊，這是由驗證力的合成與分解、打點計時器的使用和測勻變速直線運動加速度、驗證機械能守恆定律、驗證牛頓第二定律、驗證動量守恆定律等實驗組成的一個大的實驗板塊。

我們還可以把視野再擴大一些，以各種角度重新組合新的實驗板塊，比如按測量型與驗證型可把實驗分成兩大板塊，按能進行圖像處理數據和不能用圖像處理數據又可以把實驗分成兩大板塊。我們可以提示學生這樣劃分板塊，但把一個具體實驗歸類於哪個板塊，這要學生自已思考，比如說用圖像法處理數據，學生們熟悉的是驗證牛頓第二定律和測定電池電動勢和內電阻的實驗，不過畫出的圖形必須是直線，否則不好處理。這給予學生們思考的空間，其實還有許多實驗也是可以這樣處理的，它們都可以歸類於用圖像法處理數據，比如用單擺測重力加速度的實驗，我們測的是周期T和擺長L，再由公式來計算，書本上採用的是多測幾組再求平均值法，現在我們可以以L和T2/4л2為坐標軸，用測得的數據放入描點，畫直線求斜率即是g。
高中物理實驗復習
一、 基本儀器的使用
游標卡尺
設計原理：游標尺上n個刻度的總長度與主尺上（n-1）個刻度的總長度相等，如果游標尺的最小刻度的長為x，相應主尺上的每個最小刻度的長為y，則有nx=(n-1)y,由此式可得游標尺與主尺兩者最小刻度長度的差為k=y-x=y/n，我們把k叫做游標卡尺的精確度。其值由游標尺的刻度數和主尺上的歸小刻度長度y決定。
讀數原理：①先讀整數部分：整數部分由主尺上讀得，即游標尺零刻度線在主尺的多少毫米刻度線的右邊，該毫米刻度值就是應讀得的以毫米為單位的整數部分L
②再讀小數部分：小數部分由游尺上第幾條刻度線與主尺上某一刻度線對齊後讀出，即游標卡尺的准確度k×n=讀出的小數部分（可記為通式k×n）
③測量值為上述兩部分讀數之和，並按有效數字規則記錄，通用公式可寫為s=L+k×n
習題
例1：用一10分度的游標卡尺測量一長度為6.8mm的物體，則游標的哪個刻度與主尺的哪個刻度對齊？14mm處
1、游標有20個刻度的游標卡尺游標總長等於19毫米，它的測量精度是多少？測量時如游標的零刻度在尺身的2．4厘米和2．5厘米之間，游標的第16條刻度線與尺身對齊，測量的結果是多少？
彈簧秤
使用彈簧秤的注意事項：
① 根據被測力的大小選擇彈簧秤的量程，不能超量程測量，否則會損壞彈簧秤
② 使用前要檢查彈簧秤的指針是否指到零位置，如果不指零，就需要調節器零
③ 被測力的方向應與彈簧秤軸線方向一致
④ 讀數時應正對平視。一次測量的時間不宜過長，以免彈簧疲勞
⑤ 彈簧、指針、拉桿都不能與刻度板末端的限位卡發生摩擦
⑥ 讀數時，除讀出彈簧秤上最小刻度所表示的數值，還要估讀一位。
秒錶
使用注意事項：使用秒錶前應檢查秒錶指針是否與零點對齊，如果不能對齊，應記下此時秒針所指示的數值，並對讀數作修正； 測量完畢，應讓秒錶繼續走動，使發條完全放鬆，釋放彈性勢能，使發條恢復到鬆弛狀態。
二、測定性實驗
測定勻變速直線運動的加速度
由紙帶求物體運動加速度的方法：
a.逐差法：s4-s1＝s5-s2＝s6-s3＝…＝3aT2，分別求出a1＝(s4-s1)/3T2,a2＝(s5-s2)/3T2,a3＝(s6-s3)/3T2,再算出a1、a2、a3的平均值，即為物體運動的加速度.
b.v—t圖像法：先根據vn＝(sn+sn+1)/2T求出打第n個點時紙帶的瞬時速度，作出v—t圖像，圖線的斜率即為物體運動的加速度
習題：
1、在「測定勻變速直線運動的加速度」實驗中，下列方法中有助於減小實驗誤差的是（ACD ）
A 選取記數點，把每打5個點的時間間隔作為一個時間單位
B 使小車運動的加速度盡量小些
C 捨去紙帶上開始時密集的點，只得用點跡清晰、點間間隔適當的那一部分進行測量、計算
D 適當增加掛在細繩下鉤碼的個數
2、在研究勻變速直線運動的實驗中，算出小車經各計數點的瞬時的速度如下：
計數點序號 1 2 3 4 5 6
計數點對應的時刻(s) 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
通過計數點的速度(cm/s) 44.0 62.0 81.0 100.0 110.0 168.0
(1)為了計算加速度，合理的方法是( C )
A 根據任意兩計數點的速度公式，用a＝Δv/Δt算加速度.
B 根據實驗數據畫出v-t圖，量出其傾角，由公式a＝tgα求加速度.
C 根據實驗數據畫出v-t圖，由圖上相距較遠的兩點，由a＝Δv/Δt求a.
D依次算出通過連續兩計數點間的加速度，算出其平均值作小車的加速度.
(2)由上表中給出的數據，用作圖法求其加速度

3、在研究勻變速直線運動的實驗中，如圖2一22所示，為一次記錄小車運動情況的紙帶，圖中A、B、C、D、E為相鄰的記數點，相鄰記數點間的時間間隔T=0.1s。

（1）根據_ΔS=恆量_可判定小車做勻加速直線運動。
（2）根據_ _______計算各點的瞬時速度，且VA= 0.53m/s ，VB=0.88m/s ，VC =1.23m/s，VD=1.53m/s，VE=1.93m/s 。
（3）在圖2一23所示的坐標中作出小車的v一t，圖線，並根據圖線求出a=_3.5m/s2____。

4）將圖線延長與縱軸相交，交點的速度是_0.53m/s_，此速度的物理意義是__VA_____。
用單擺測定重力加速度
實驗注意事項：
①擺線要用細而輕且不可伸長的1m左右的線製成.
②擺球要用密度大的實心球.
③測擺長時應使擺自然下垂，測懸點到球心間的距離.
④單擺擺動時應使擺線在同一平面內且擺角小於10°.
⑤測周期時，應從擺球經平衡位置時開始計時，要測30或50次全振動時間，取平均值計算
習題
4、用單擺測重力加速度的實驗中，用的擺球密度不均勻，無法確定重心位置.第一次量得懸線長L1(不計半徑)，測得周期為T1；第二次測得懸線長為L2周期為T2，根據上述數據，g值應為( B )
A. 4π2（L1+L2）/（T12+T22） B. 4π2（L1-L2）/（T12-T22）
C. 4π2 /T1T2 D.無法計算
5、兩名同學在分析用單擺測重力加速度時由於擺球受空氣阻力而對單擺周期產生影響問題時，甲同學說：空氣對擺球的浮力與重力方向相反，浮力對擺球作用相當於重力加速度變小，因此振動周期變大.乙同學說：浮力對擺球的影響好像用一個輕一些的擺球做實驗，單擺振動周期與擺球質量無關，因此振動周期不變，試分析這兩種說法的正誤.
解析：如圖甲所示，無空氣浮力時，擺球做簡諧振動的回復力是重力的切向分量G1，F回=mg?sinθ，θ是擺角.
有空氣浮力時，如圖乙所示，設擺球受重力和浮力的合力F=mg-F?浮，方向豎直向下，這時擺球做簡諧振動的回復力是F的切向分量F1，
F′回=F1=F?sinθ=(mg-F浮)?sinθ
F′回=m(g- )?sinθ=mg′?sinθ，g′=g-
這時擺球的質量不變，回復力減小，相當於重力加速度減小，周期增大，甲同學說得對.
乙同學說法的錯誤在於沒有正確理解周期與擺球質量無關的特點，單擺周期與質量無關的原因是：回復力F回=mg?sinθ，F回與質量m成正比.回復力F?回產生的指向平衡位置的加速度.
a= =g?sinθ與質量無關，所以周期與m無關.有浮力時F回′=(mg-F浮)?sinθ
a′=(g- )?sinθ,顯見a′＜a
所以T增大.單擺振動周期與質量無關也可以從F回=-k?x,k是回復系數，而簡諧振動周期T=2π ,代入k討論得出.

二、 驗證性實驗
驗證力的平行四邊形定則
注意：
1、在本實驗中，以橡皮條的伸長（結點到達某一位置）來衡量力的作用效果，因此，在同一次實驗中應使兩種情況下結點達到同一位置。
2、實驗前，首先檢查彈簧秤的零點是否正確，實驗中，彈簧秤必須保持與木板平等，使用時不能超過彈性限度，讀數時眼睛一定要正對刻度，讀到最小刻度的下一位。
3、畫力的圖示時，標度的稱取應恰當，嚴格按幾何作圖法求合力
習題
6、 如圖所示為驗證力的平行四邊形法則的實驗裝置示意圖，通過細線用兩個互成角度的測力計拉橡皮條使結點移到某一位置O.此時需要記下：
(1) ；
(2) ；
(3) ；
然後，只用一個測力計再把橡皮條拉長，使結點到達位置 .再記下
(4) ；
(5) ；
(6)實驗中，應使各拉力方向位於 同一平面 ，且與木板平面 平行 。
驗證機械能守恆定律
注意：
(1)安裝打點計時器時，必須使穿紙帶的兩個限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力.
(2)接通電源前，穿過打點計時器的紙帶應平展不捲曲，提紙帶的手必須拿穩紙帶，並使紙帶保持豎直，從而不致人為地增大摩擦阻力，導致機械能損耗.
(3)實驗時，必須先接通電源，讓打點計時器工作正常後才能松開紙帶讓垂錘下落，從而使紙帶下落的初速度為零，並且紙帶上打出的第一個點是清晰的一個小點.
(4)選用紙帶應盡量挑選第1、2兩點間的距離接近2mm的紙帶，以保讓打第一個點時紙帶的速度為零.
(5)測量下落高度時，都必須從起點算起，不能搞錯，選取的各個計數點要離起始點適當遠一些，以減小測量高度h值的相對誤差.
(6)因驗證的是ghn,是否等於Vn2/2，不需要知道動能的具體數值，故無需測量重錘的質量m.
實驗誤差
由於重物和紙帶在下落過程中要克服阻力(主要是打點紙帶所受的阻力)做功，所以勢能的減小量△Ep稍大於動能的增加量△Ek.
習題
7、 在驗證機械能守恆定律的實驗中，有同學按以下步驟進行實驗操作：
A.用天平稱出重錘和夾子的質量；
B.固定好打點計時器，將連著重錘的紙帶穿過限位孔，用手提住，且讓手盡量靠近打點計時器；
C.松開紙帶，接通電源，開始打點.並如此重復多次，以得到幾條打點紙帶；
D.取下紙帶，挑選點跡清晰的紙帶，記下起始點O，在距離O點較近處選擇幾個連續計數點(或計時點)，並計算出各點的速度值；
E.測出各點到O點的距離，即得到重錘下落高度；
F.計算出mghn和 mυ2n/2，看兩者是否相等.
在以上步驟中，不必要的步驟是 A ；有錯誤或不妥的步驟是 BCDF (填寫代表字母)；更正情況是① B中「讓手盡量靠近」應改為「讓重錘盡量靠近打點計時器」 ，② C中應先接通電源，後松開紙帶 ，③ D中應將「距離O點較近處」改為「距離O點較遠處」 ，④ F中應改為「ghn和υ2n/2」
8、在利用重錘自由下落「驗證機械能守恆定律」的實驗中，在打出紙帶並測量出第n點到第1點的距離後，用公式υn=ngT(T為打點時間間隔)來計算打第n點時重錘的速度，然後計算重錘動能的增量△Ek和重錘重力勢能的減少量△Ep.計算時經常出現△Ek＞△Ep的結果，試分析其中的原因.
解析：本題可從如下兩方面進行分析：(1)由於重錘和紙帶受到阻力，它們下落的實際加速度a將小於重力加速度，而利用重力加速度g來計算速度υ=n?g?T，將使得υ值偏大. (2)在先接通電源使打點計時器工作，再讓紙帶從靜止釋放的步驟中，常常容易造成紙帶上記錄下來的最初兩點之間的時間間隔小於0.02s，計算中仍按0.02s計算，也將使得速度值υ=n?g?T偏大.
9、某同學在做「驗證機械能守恆定律」的實驗時，不慎將一條選擇好的紙帶的前面部分損壞了，剩下的一條紙帶上各點間的距離，他測出並標在紙帶上，如下圖所示.已知打點計時器的周期是0.02s，重力加速度為9.8m/s2.

(1) 利用紙帶說明重錘(質量為mkg)通過對應於2、5兩點過程中機械能守恆.
(1)重錘在對應2、5兩點時的速度分別為
υ1= m/s=1.495m/s υ2= m/s=2.06m/s
則重錘在2、5兩點對應過程的動能增加量為
△Ek=Ek2-Ek1= mυ22- mυ21=1.004mJ,
而重錘在該過程中下落的距離為
△h=(3.18+3.56+3.94)×10-2m=10.68×10-2m
則重錘在該過程減小的重力勢能為
△Ep=mg?△h=1.047mJ
在允許的實驗誤差范圍內可以認為△Ek=△Ep,即機械能守恆.
(2) 說明為什麼得到的結果是重錘重力勢能的減小量△Ep稍大於重錘動能的增加量△Ek?
因重錘拖著紙帶下落時，空氣阻力和打點計時器的阻力做功而使重錘的機械能有損失，故重力勢能的減小量稍大於動能的增加量
驗證動量守恆定律
實驗需注意事項
(1)為保證兩球在水平方向作同一直線上的對心正碰，必須將斜槽末端切線調節成水平然後固定；
(2)為使入射球A在碰後能沿原方向運動，必須使A球的質量大於被碰球B的質量.
(3)為保證多次重復實驗的條件相同，一是必須使入射球每次都是從斜槽上同一位置從靜止開始滾下；二是注意不能移動實驗桌、斜槽和白紙.
(4)必須明確標明重錘線尖端所指的位置O.以便能較精確地確定兩球作平拋運動的拋出點，從而獲得較精確的水平位移大小.
練習
1、某同學用如下圖所示裝置通過半徑相同的A、B兩球的碰撞來驗證動量守恆定律.圖中PQ是斜槽，QR為水平槽.實驗時先使A球從斜槽上某一固定位置G由靜止開始滾下，落到位於水平地面的記錄紙上，留下痕跡.重復上述操作10次，得到10個落點痕跡.再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方，讓A球仍從位置G由靜止開始滾下，和B球碰撞後，A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點痕跡.重復這種操作10次.圖(甲)中O點是水平槽末端R在記錄紙上的垂直投影點.B球落點痕跡如圖(乙)所示，其中米尺水平放置，且平行於G、R、O所在的平面，米尺的零點與O點對齊.
(1)碰撞後，B球的水平射程應取為64.7 cm.
(2)在以下選項中，哪些是本次實驗必須進行的測量?答ABD (填選項號).
A.水平槽上未放B球時，測量A球落點位置到O點的距離
B.A球與B球碰撞後，測量A球落點位置到O點的距離
C.測量A球或B球的直徑
D.測量A球和B球的質量(或兩球質量之比)
E.測量G點相對於水平槽面的高度.
2、某同學設計了一個用打點計時器驗證動量守恆定律的實驗：在小車A的前端粘有橡皮泥，推動小車A使之作勻速運動.然後與原來靜止在前方的小車B相碰並粘合成一體，繼續作勻速運動，他設計的具體裝置如下圖所示.在小車A後連著紙帶，電磁打點計時器電源頻率為50HZ，長木板下墊著小木片用以平衡摩擦力.

(1)若已得到打點紙帶如上圖，並測得各計數點間距標在圖上，A為運動起始的第一點，則應選 BC 段來計算A的碰前速度，應選 DE 段來計算A和B碰後的共同速度.(以上兩格填「AB」或「BC」或「DC」或「DE」).
(2)已測得小車A的質量m1=0.40kg,小車B的質量m2=0.20kg,由以上測量結果可得：
碰前總動量= 0.42 kg.m/s.
碰後總動量= 0.417 kg.m/s.
由上述實驗結果得到的結論是: 在誤差允許范圍內，A、B兩車作用前後的總動量相等，系統的動量守恆。

三、研究性實驗
研究平拋物體的運動
1、在研究平拋物體的運動的實驗中，坐標原點0及豎直向下的軸的確定，下列說法正確的是（AD）
A O點在斜槽末端點處
B O點在斜槽末端點正前方r處（r為小球半徑）
C 過0點畫一條平行木板邊緣向下的線作為軸
D 過0點利用重錘線畫一條豎直線作為軸
2．如圖所示為做平拋運動實驗的專用卡片，長方形孔的寬度為a，長度為b，c為描軌跡點的缺口，若小球半徑為r，則下列說法中正確的是（AB ）
A 缺口c應在折線處且緊貼木板上的白紙
B a應略大小2r（r為球半徑）
C b應等於2r D a應等於2r
3、下列哪些因素會使實驗的誤差增大（ B ）
A 小球與斜槽之間有摩擦 B 安裝斜槽時其末端不水平
C 建立坐標系時以斜槽末端埠位置為坐標原點 D 每次釋放小球的位置相同

B. 利用互感原理工作的電磁裝置

利用互感原理工作的電磁裝置互感原理的話，就是應用有點磁場中的一些原理的工作裝置。

C. 鐵路運輸中設計的多種裝置都運用了電磁感應原理．有一種電磁裝置可以向控制中心傳輸信號以確定火車的位置