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平行通电导线间的相互作用受迫振动与共振演示


平行通电导线间的相互作用受迫振动与共振演示

王杏娣 实验一 平行通电导线间的相互作用

金平

?每当讲到电流和电流之间也会通过磁场发生相互作用这部分内容时, 总觉得 缺乏相应的演示实验,往往只能利用挂图讲解,因而不能给学生一种直观的印 象.如果能自制一个平行通电导线演示器进行演示,这个问题就会迎刃而解.下 面介绍平行通电导线演示器的结构及制作.

图1 ?仪器结构 如图 1 所示,其主要部分是用两条平行悬挂的铝箔作为导体,铝 箔长约 40~50cm,宽约 1.5cm,可以用电容器中的铝箔剪制而成.安装铝 箔时,在其两端来回弯折几次,使该处略有弹性.铝箔不要拉得太紧,两条铝箔 相距 1.5~2cm,为了使现象比较明显,可在铝箔中部贴一条红纸作标志,同 时为了防止气流吹动铝箔,外面装上一个玻璃罩.按键开关S1与铝箔两端接线 柱A、B、C和换向开关S等之间的连接关系如图 2 所示.

图2 ?使用方法 按如图 2 所示连接好电路,断开开关S,电源的正、负极分别接 到A、B接线柱上,当按下按键开关S1时,两条平行铝箔中通过相反方向的电

流,于是两条铝箔便互相排斥而远离,此时两条铝箔中间的最大距离可达 5cm 左右.然后把电源的两极分别接到B、C接线柱上,闭合开关S后再按下按键开 关S1,这时两条平行铝箔中通过的电流方向相同,于是两条铝箔便互相吸引而 靠拢.这个实验演示效果非常明显,操作简便,给学生留下了非常深刻的印象. ?应该注意的是,实验时的电流很大,超过 10A,只能瞬时通电,否则容易烧 坏铝箔. ?实验二 受迫振动与共振演示 ?在讲到共振现象可能造成损害时,经常会讲到军队或火车过桥的时候,整齐 的步伐或火车对铁轨接头处有节凑的撞击,都是周期性的驱动力,如果它们的频 率接近桥梁的固有频率时,就可能使桥梁的振幅增大到使桥梁断裂的程度.学生 只能通过想象而被动接受,缺乏直观的认识,为了生动地展示这种客观事实,可 自制一共振演示器演示该现象.

图3 ?仪器结构 如图 3 所示,底座两端可用光具座的铸铁支脚支撑,面板可选用 印刷电路板或有机玻璃板,厚度为 1.5mm,长为 90cm,宽 10cm,它们弹性 好,能量不易损失,面板中间下面固定一只 6V小型直流电动机,上面固定一只 偏心轮 (固定偏心轮的附件可用J2418 型小型电动机模型的支架、 皮带轮和转轴 都可利用,偏心轮也可用电枢绕组即线圈制成).面板一端安装一只 30Ω 的电 位器,用来调节电动机的转速,面板中间的边缘再固定一支软笔,用来描绘面板 振动的振幅大小,木制框架是为拉动纸带而设计的,固定在铸铁支脚上. ?使用方法 接上电源, 电动机与电位器串联, 偏心轮在皮带轮的带动下转动, 这时面板受到一个周期性的驱动力做受迫振动, 通过调节电位器控制电动机的转 速来调整偏心轮的转速,使驱动力的频率发生变化,当驱动力的频率接近面板的 固有频率时,板面发生共振.如果一边调节电位器,一边在木制框架上匀速拉动 纸带,就能如实地记录下面板的振幅变化情况,当发生共振时,最大振幅可达 10 cm以上, 效果相当显著. 如果改变面板的质量, 面板的固有频率也将发生改变, 因此可以演示多个频率的共振现象. ?以上两自制演示实验,取材容易,制作简单,效果明显,说明问题,同行可 以试之.


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