普通物理實驗室

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目的


藉由實驗來了解磁場的特性,並量測載流導線在磁場中所受到的力(Lorentz force),與電流大小、導線長度和磁場強度的關係。並利用這些關係得知磁場大小。


實驗方法


要測量磁鐵組的磁場B大小,我們將磁鐵組置於電子秤上,利用作用力與反作用力的原理,則可知道磁鐵組反作用力的讀數,再轉換為力的單位N。 再量測有效導線長度,利用公式便可求出磁場的大小。












:電子秤上所顯示的值可能正、亦可能為負,為什麼?



原理


帶電粒子在磁場中受力

由實驗上我們可得知磁場施於運動中電荷的磁力恆與電荷的運動方向和磁場方向垂直(如右圖所示),其大小與電荷的電量成正比,並與其速率成正比, 關係為

因此磁場 B 大小為

磁場的單位 SI 制下為(牛頓/庫倫)(秒/米),單位名稱為 teslatesla 是一個很大的磁場單位,由於我們平時所接觸的磁場大小往往遠小於此數量級,故習慣上也常使用 gauss 這種單位,而 1tesla = 10000 gauss

考慮載流導線在磁場中受力之情況 如右圖令


若此導線為直導線,則

因此磁場大小為

:載流導線本身亦會產生磁場,而此磁場會對載流導線產生作用力嗎?為什麼?

動畫模擬



實驗儀器





儀器架設


注意事項:

a.電流應該限制在5安培之內,而且通過時間不宜太久,慎防觸電以及電流熱效應損壞儀器。

b.連接線應與電源供應器上的直流(D.C.)輸出端子相連接,不可將電流迴路與電源供應器的交流(A.C.)端子相連接,以防將電流迴路燒毀。

c.實驗時注意磁鐵組的磁極方向,確定N極在同一側、S極在同一側。


實驗步驟


A.測量磁力與電流大小的關係

1.電子秤歸零(先不要通電,按下電子秤上的「扣重」鍵,使得讀數變為0.00克)→ 打開電源, 旋轉調整鈕使電流從0.5安培開始,然後再每次增加0.5安培,並同時記錄電子秤上讀數變化。

      
      

【註】實際測量要減少誤差應該每次增加電流0.5A至4.5A後再由4.5A降低至0,每個數值紀錄取其平均值。

2.將電子秤的質量單位轉換成力的單位,並計算出磁場B。

3.繪力(Lorentz force)與電流大小的關係圖。

4.利用線性迴歸法求Lorentz force與電流大小的關係。

5.改變不同長度的電流迴路重覆步驟1~4


B.測量磁力與導線長度的關係

1. 測量電流迴路之導線的有效長度,並記錄於表格內。

2. 電子秤歸零(先不要通電,按下電子秤上的「扣重」鍵,使得讀數變為0.00克)→ 打開電源開關,調整電流至2安培,並記錄電子秤上的讀數。

      
      

3.將電子秤的質量單位轉換成力的單位,並計算出磁場B。

4.關掉電源,換下不同長度的電流迴路,重覆步驟1~3。

5.繪Lorentz force與導線長度的關係圖。

6.利用線性迴歸法求Lorentz force與導線長度的關係。


C.測量磁力與磁場強度的關係

 
 

1.電子秤歸零(先不要通電,按下電子秤上的「扣重」鍵,使得讀數變為0.00克)→ 打開電源,並調整電流至2安培,記錄電子秤上的讀數,並將讀數轉換成力的單位。

2.逐次增加磁鐵的數目,重覆步驟1。

【註】實際測量要減少誤差應該每次增加磁鐵數目至最多後再減少至一個磁鐵,每個數值紀錄取其平均值。

3.改變不同長度的電流迴路,重覆步驟1~2。

4.繪Lorentz force與磁鐵數目的關係圖。

5.利用線性迴歸法求Lorentz force與磁鐵數目的關係。

:何謂線性迴歸法?

參考資料


1. Fundamentals of Physics, Fifth Edition ( by David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker)

2. University Physics, 12th ed (H. D. Young & R. A. Freedman,)

3. http://en.wikipedia.org/wiki/Portal:Physics

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