利用光杠杆原理测量匀强磁场的磁感应强度

利用光杠杆原理测量匀强磁场的磁感应强度秦明勇杨巧云喻润贤111（1重庆交通大学河海学院，重庆400074）摘要设计本实验的目的是通过简单易行的方法，利用我们所熟悉的一些原理，如光杠杆原理，以及胡克定律、安培定律等对未知的匀强磁场进行测量。关键词胡克定律，弹性定律，安培定律，光杠杆原理。引言当今社会，各种和磁场有关的原理的应用正不断地改变着我们的日常生活。例如，核磁共振探测器在医学方面的应用，磁悬浮列车的问世等，对我们的生活都产生了或多或少的影响。可见磁场与我们的生活是息息相关的。所以，如果我们能了解更多关于磁场的知识，并加以应用，将会对我们的生产生活产生不可估量的影响。通过对磁场知识的学习，我们知道通电导线在磁场中会受到安培力的作用，这样就为我们测量磁感应强度提供了理论依据。对这些现象的观察、研究与测量，将有助于我们加深对磁场的了解。1与实验相关的定律和原理11胡克定律胡克定律是力学基本定律之一。适用于一切固体材料的弹性定律，它表述为在弹性限度内，物体的形变跟引起形变的外力成正比。这个定律是英国科学家胡克发现的，所以叫做胡克定律。胡克定律的表达式为FKX或FKX其中K是常数，是物体的劲度系数。在国际单位制中，F的单位是牛，X的单位是米，它是形变量（弹性形变），K的单位是牛米。劲度系数在数值上等于弹簧伸长（或缩短）单位长度时的弹力。弹性定律是胡克最重要的发现之一，也是力学最重要基本定律之一。在现代，仍然是物理学的重要基本理论。胡克的弹性定律指出弹簧在发生弹性形变时，弹簧的弹力F和弹簧的伸长量（或压缩量）X成正比，如图所示即FKXK是物质的弹性系数，它由材料的性质所决定，负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长（或压缩）的方向相反。12安培定律放置在磁场中的电流导体或载流线圈将受到磁场力的作用。1820年，安培首先通过实验测得在电场中任一点处，电流元IDL所受的磁力为DFIDLB其中B是场点处的磁感应强度。通常将上式称为安培定律，DF称为安培力。对于某段载流导线L，它所受到的安培力等于组成它的各电流元所受的安培力的叠加。即FDFIDLB由于载流导线上连续分布的各电流元所受到的安培力分布于导线上各处，故整个导线所受的安培力是一种分布力，在磁感应强度为B，长为L的载流直导线通有电流I。电流方向与B的夹角为，则导线所受的安培力FBILSIN13光杠杆放大原理光杠杆由镜架和镜面组成，A足与C、D两足的距离可调。镜尺装置由标尺与望远镜组成。调节望远镜可以看清平面镜内反射的标尺像，并可由望远镜中叉丝横线读出标尺上相应的刻度值。设钢丝的长度变化前刻度为Y，长度变化时，A足随之升或降，并0带动平面镜转动。设转角为，则平面镜上的反射光线将转过2此时视场中横叉丝线对应的刻度假设为Y，并令YYY110当XB时，TGX/BSIN，TG2Y/D2则有X/B或Y/2DXBY/2D由上式可知，微小量X可通过B，D，Y这些易准确测量的量间接的测量出来。X被放大了2D/B倍。综合以上各式,则BKX/ILSIN即BKBY/2ILDSIN2具体的实验操作。21将实验装置将放置在匀强磁场中，调节光杠杆，使水平杆处于水平状态。22调节望远镜，使望远镜与光杠杆放射镜面等高先调节望远镜目镜下的螺丝，使望远镜大致水平，然后将望远镜移近光杠杆镜面，使两者等高。最后移动镜尺支架，使望远镜离反射镜面12M。23将眼睛从望远镜外沿准星向缺口方向观察反射镜是否有标尺的像，若没有，则左右移动镜尺支架，直到标尺像出现在反射镜中。微调杠杆镜面，使标尺零刻度线成像在反射镜中央。24转动目镜，观察目镜的十字叉丝情况，直到叉丝清晰成像。然后调节调焦手轮，使从望远镜中看到的反射镜中的标尺成像清晰。注意反复调节，当晃动眼睛时十字叉丝线与标尺刻度线之间无相对移动后，即可认为消除了视差。25微调光杠杆镜面的倾角和望远镜目镜下的升降螺丝，使从望远镜中观察到的标尺零刻度线在十字叉丝附近。26接通电源，通过改变电流强度来测量出不同电流强度时对应的磁感应强度。并记录实验数据。3注意事项31禁止用手触摸各种光学元件的表面，光杠杆望远镜必须轻拿轻放。32读标尺读数时应使标尺数值静止时再读数。过程中保持电流强度不变。弹簧的形变量控制在弹性范围内。4实验数据记录处理41可以采用逐差法进行数据处理。42可以通过作图的方式，画出电流与磁感应强度的关系，从而得出磁感应强度B的大小。5结论由于通电导线周围会产生感应磁场，对原磁场必然会产生一定量的影响，所以，实验时要控制电流的大小，以保证待测磁场远远大于电流产生的感应磁场。同时，为保证足够小，以确保测量精度，要选择K值较大的弹簧进行实验。虽然本实验存在一些不足，但本实验目的明确，且易于操作，如果能进行适当