中学物理电磁学专题实验指导书

中学物理电磁学专题实验指导书前言电磁学是中学物理的重要组成部分，它不仅揭示了电与磁之间奇妙的联系，也为我们理解现代科技奠定了基础。实验是学习物理的根本方法，通过亲手操作，我们能够更直观地感知物理现象，更深刻地理解物理规律，培养科学探究能力和实事求是的科学态度。本专题实验指导书旨在为同学们提供电磁学部分核心实验的详细指引，帮助大家顺利完成实验，体验探究的乐趣，并从中获得知识与能力的提升。本书所选实验均围绕中学物理电磁学的核心知识点展开，注重基础性与探究性的结合。在进行每个实验前，请务必认真阅读实验目的、原理及步骤，做到心中有数。实验过程中，要仔细观察，准确记录，积极思考，并注意安全规范操作。实验后，应及时对数据进行分析处理，总结实验结论，并尝试对实验中出现的问题进行反思。第一部分：磁现象与电流的磁效应实验一：探究磁体的磁场分布实验目的：1.认识磁体周围存在磁场，知道磁场具有方向性。2.学会用磁感线描述磁场的分布情况。3.比较不同磁体（如条形磁铁、蹄形磁铁）的磁场分布特点。实验原理：磁体周围存在一种看不见、摸不着的特殊物质，叫做磁场。磁场对放入其中的磁体产生磁力的作用。磁场具有方向性，物理学中规定，小磁针静止时北极所指的方向为该点的磁场方向。磁感线是为了形象描述磁场而引入的假想曲线，磁感线上某点的切线方向表示该点的磁场方向，磁感线的疏密程度表示磁场的强弱。利用铁屑在磁场中被磁化后会沿着磁感线排列的特性，可以显示磁场的分布。实验器材：条形磁铁、蹄形磁铁、玻璃板（或透明塑料板）、铁屑、坐标纸（可选）、小磁针若干、培养皿或浅盘（可选）。实验步骤：1.条形磁铁的磁场分布：*将一张干净的白纸（或坐标纸）平铺在水平桌面上，把条形磁铁平放在纸的中央。*在磁铁上方覆盖一块玻璃板（或透明塑料板）。*用干燥的药匙取适量铁屑，均匀地撒在玻璃板上。*轻轻敲击玻璃板，观察铁屑的排列情况。*在铁屑排列的不同位置放置小磁针，观察小磁针静止时N极的指向，并在白纸上记录下来，标明磁感线的方向。2.蹄形磁铁的磁场分布：*仿照步骤1，将蹄形磁铁平放在白纸上（开口向上），重复后续操作，观察铁屑的排列和小磁针的指向。3.对比分析：*分别画出条形磁铁和蹄形磁铁的磁感线分布图（示意图）。*比较两种磁体磁感线分布的异同点。数据记录与分析：*在实验报告纸上描绘出观察到的两种磁体的磁感线分布草图，并标出小磁针N极指向（即磁感线方向）。*分析磁感线的疏密与磁场强弱的关系：磁感线越密集的地方，磁场越_______；磁感线越稀疏的地方，磁场越_______。*总结磁感线的特点：磁感线是_______（闭合/不闭合）的曲线，在磁体外部，磁感线从_______极出发，回到_______极。注意事项：1.铁屑要干燥，避免结块影响实验效果。2.撒铁屑时要均匀，量不宜过多。3.敲击玻璃板时用力要轻，避免铁屑滑散。4.实验完毕后，要将铁屑回收至指定容器，保持桌面整洁。小磁针要防止掉落在地上摔坏。思考题：1.磁感线是真实存在的吗？它的作用是什么？2.如果将两块条形磁铁的同名磁极靠近或异名磁极靠近，它们周围的磁场分布会是怎样的？（可尝试实验或进行理论推测）实验二：探究通电直导线周围的磁场实验目的：1.通过实验验证电流周围存在磁场（奥斯特实验）。2.探究通电直导线周围磁场的分布特点及其方向与电流方向的关系。实验原理：丹麦物理学家奥斯特首先发现，通电导体周围存在磁场，这表明了电现象与磁现象之间的联系。通电直导线周围的磁场是以导线为中心的一系列同心圆。磁场的方向与电流的方向有关，可以用安培定则（右手螺旋定则）来判断：用右手握住直导线，让大拇指指向电流的方向，那么弯曲的四指所指的方向就是磁场的环绕方向。实验器材：干电池（或低压直流电源）、开关、导线若干、小磁针、硬纸板（或塑料板）、待研究的直导线（可固定在硬纸板上）、滑动变阻器（可选，用于调节电流大小，保护电源）。实验步骤：1.组装实验装置：*将直导线穿过硬纸板的中心，并将硬纸板水平固定（例如用铁架台夹持），确保导线垂直于硬纸板平面。*将直导线两端通过开关、滑动变阻器（若使用）与电源正负极连接，组成一个串联电路。此时开关处于断开状态。2.观察无电流时小磁针的状态：*在硬纸板上，以导线为圆心，在不同半径的圆周上分别放置几个小磁针。*观察并记录此时小磁针的指向（通常指向南北方向）。3.观察有电流时小磁针的偏转：*闭合开关，使直导线中有电流通过（注意：若使用干电池，通电时间不宜过长，以免电池耗电过多）。*观察小磁针是否发生偏转。若偏转，记录每个小磁针静止时N极的指向。4.探究磁场方向与电流方向的关系：*断开开关，改变电源的正负极连接，即改变导线中电流的方向。*再次闭合开关，观察小磁针N极的指向与步骤3中的情况有何不同。5.探究磁场分布与距离的关系（可选）：*保持电流方向不变，观察不同半径圆周上小磁针偏转角度的大小，初步判断磁场强弱与距离导线远近的关系。数据记录与分析：*无电流时，小磁针指向：____________________。*有电流时（电流方向：从______到______），小磁针N极指向描绘：在实验报告纸上画出导线位置和小磁针位置，并标出N极指向。*改变电流方向后（电流方向：从______到______），小磁针N极指向描绘：同样在图上标出。*分析得出结论：1.通电直导线周围______（存在/不存在）磁场。2.通电直导线周围的磁场是以导线为中心的______（圆形/条形）磁感线。3.磁场的方向与电流方向______（有关/无关）。判断方法（安培定则）：____________________。4.（可选）同一电流下，距离导线越近，小磁针偏转角度越______，说明磁场越______。注意事项：1.本实验电路为简单电路，若使用直流电源，注意电压不宜过高，避免电流过大损坏电源或导线发热。若电流过大，可串联一个滑动变阻器限流。2.通电时间不宜过长，以免导线过热或耗尽电源电能。3.小磁针要放置平稳，远离其他磁体或铁磁性物质的干扰。4.实验时，导线应尽量拉直，并垂直于硬纸板。思考题：1.奥斯特实验的重大意义是什么？2.如果导线中的电流增大，小磁针的偏转角度会如何变化？这说明了什么？实验三：探究通电螺线管的磁场实验目的：1.探究通电螺线管外部磁场的分布特点，比较其与条形磁铁磁场的异同。2.探究通电螺线管的极性与电流方向的关系（安培定则的应用）。3.（可选）初步探究影响通电螺线管磁性强弱的因素。实验器材：螺线管（带铁芯和不带铁芯两种，或可装卸铁芯）、干电池（或低压直流电源）、开关、导线若干、小磁针、铁屑、玻璃板（或透明塑料板）、滑动变阻器、电流表（可选，用于测量电流）。实验步骤：1.探究通电螺线管外部磁场的分布：*将螺线管（暂不加铁芯）平放在桌面上，两端引出导线与开关、电源串联组成电路。*在螺线管上方平行放置一块玻璃板，均匀撒上铁屑。*闭合开关，给螺线管通电，轻轻敲击玻璃板，观察铁屑的排列情况。*在螺线管两端及周围不同位置放置小磁针，观察小磁针N极的指向。2.探究通电螺线管的极性与电流方向的关系：*根据步骤1中小磁针的指向，判断此时螺线管的哪一端为N极，哪一端为S极，并记录螺线管上电流的环绕方向（即从电源正极出来，是从螺线管的哪一端流入，哪一端流出）。*断开开关，改变电源正负极的连接，即改变螺线管中电流的方向。*闭合开关，再次用小磁针判断螺线管两端的极性，并与步骤2中的结果对比。*尝试用右手螺旋定则（安培定则）判断螺线管的极性，并与实验结果验证。3.（可选）探究影响通电螺线管磁性强弱的因素：*铁芯的影响：保持电流大小和螺线管匝数不变，在螺线管中插入铁芯，观察对附近小磁针的作用力或吸引铁屑能力的变化（可通过吸引大头针数量粗略比较）。*电流大小的影响：在电路中串联滑动变阻器和电流表。保持螺线管匝数和有无铁芯不变，通过调节滑动变阻器改变电路中的电流大小（用电流表读数），观察螺线管吸引大头针数量的变化。*匝数的影响：若有不同匝数的螺线管，可保持电流大小和有无铁芯不变，比较不同匝数螺线管吸引大头针数量的变化。数据记录与分析：*描绘通电螺线管（无铁芯）外部铁屑排列的示意图，并根据小磁针指向标出磁感线方向及螺线管的N、S极。*记录电流方向与螺线管极性关系：电流从螺线管左端流入，右端流出螺线管左端极性螺线管右端极性----------------------------------------------------------电流从螺线管右端流入，左端流出螺线管左端极性螺线管右端极性*（可选）记录磁性强弱影响因素的探究结果：*有无铁芯：有铁芯时，磁性比无铁芯时______（强/弱）。*电流大小：电流越大，磁性越______。*线圈匝数：匝数越多，磁性越______（在电流相同情况下）。注意事项：1.连接电路时，开关应处于断开状态。2.若进行磁性强弱比较，吸引的大头针应清洁无锈，每次实验前应将上次吸引的大头针抖落干净。3.插入或拔出铁芯时，应在断电状态下进行（若通电时，铁芯会被磁化，可能难以拔出或插入）。4.注意控制通电时间，避免线圈过热。思考题：1.通电螺线管的外部磁场与哪种磁体的磁场相似？内部磁场呢？2.如何用安培定则判断通电螺线管的N极和S极？请详细描述操作方法。3.生活中哪些电器应用了通电螺线管的原理？（至少举两例）第二部分：电磁感应实验四：探究电磁感应现象实验目的：1.通过实验探究产生感应电流的条件。2.初步认识电磁感应现象，了解磁生电的基本原理。实验原理：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫做电磁感应现象，产生的电流叫做感应电流。实验器材：蹄形磁铁（或其他较强磁体）、导体棒（如铜棒或铝棒）、灵敏电流计、开关、导线若干、铁架台（或支架，用于固定导体棒或磁铁）、导轨（或两根平行且绝缘的导线轨道，可选，用于支撑导体棒并使其能沿一定方向运动）。实验步骤：1.组装实验装置：*用导线将导体棒、灵敏电流计、开关串联起来，组成一个闭合电路。*将蹄形磁铁固定在铁架台上，使两极间形成较强的磁场（磁场方向可认为是从N极到S极的竖直方向或水平方向，根据方便操作选择，例如让磁感线方向沿水平方向穿过两极之间）。*将导体棒放置在蹄形磁铁的磁场中，使其成为闭合电路的一部分。例如，若磁场方向竖直，则导体棒可水平放置，两端用导线连接到电路中，并能在磁场中沿水平方向移动；或者将两根平行导线固定作为导轨，导体棒架在导轨上，构成通路，可沿导轨滑动。2.进行多种情况的尝试，观察电流计指针是否偏转：*情况一：电路闭合（开关闭合），导体棒在磁场中静止不动。观察电流计指针。*情况二：电路闭合，导体棒在磁场中沿不同方向运动：*a.沿平行于磁感线的方向运动。*b.沿垂直于磁感线的方向运动（即切割磁感线运动）。*c.沿与磁感线成一定夹角的方向运动。*情况三：电路断开（开关断开），导体棒在磁场中做切割磁感线运动。观察电流计指针。*情况四（可选）：导体棒不动，而移动或转动蹄形磁铁，使导体棒相对于磁场做切割磁感线运动（电路闭合）。观察电流计指针。数据记录与分析：*将实验现象填入下表：实验序号电路状态(闭合/断开)导体棒与磁场相对运动情况(是否切割磁感线)灵敏电流计指针是否偏转(是/否)是否产生感应电流:-------:-------------------:---------------------------------------:-----------------------------:---------------1闭合静止不动2a闭合平行于磁感线运动2b闭合垂直切割磁感线运动2c闭合斜向切割磁感线运动3断开垂直切割磁感线运动4(可选)闭合导体棒不动，磁场运动（切割）*分析实验现象，总结产生感应电流的条件：1.电路必须是______（闭合/断开）的。2.闭合电路的______（全部/一部分）导体要在磁场中做______运动。注意事项：1.实验前应检查灵敏电流计指针是否指零，若不指零，需进行调零。2.导体棒、导线的连接要牢固，接触要良好，以保证电路的通畅。3.蹄形磁铁的磁性要强，或灵敏电流计的灵敏度要足够高，以便观察到明显的指针偏转。4.导体棒在磁场中运动时，要确保其是闭合电路的“一部分”，且运动方向要与磁感线有切割的分量。5.实验时，导体切割磁感线的速度可以适当快一些，以获得更明显的感应电流。思考题：1.在实验中，灵敏电流计的指针有时向左偏，有时向右偏，这说明了什么？2.如果导体棒在磁场中