电磁跳环演示实验报告

电磁跳环演示实验报告
实验原理
1、电磁感应：当通过回路的磁通量发生改变时，就会产生电磁感应现象，产生感应电动势，若回路闭合，则会产生感应电流，且产生的感应电动势满足法拉第电磁感应定律。

2、法拉第电磁感应定律：回路中的感应电动势ε与通过该回路的磁通量Ф的时间变化率成正比，即/d dt ε=-Φ。

对于导体回路是N 匝线圈，定义全磁通：1N
i i =ψ=Φ∑,其中i Φ为通过线圈第i 匝的磁通量。

对于各匝线圈磁通量相同的特别情形，则有/Nd dt ε=-Φ。

3、楞次定律：感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。

4、安培定律：通电导线在磁场中会受到力的作用，满足F IBl =。

5、麦克斯韦的涡旋电场理论：随时间变换的磁场在其周围产生电场，并且感应电场的环流不为零，而等于感应电动势，即S C B E dl dS t
ε∂=•=-•∂⎰⎰⎰Ñ。

实验器材
1台电磁跳环演示仪（接交流电源），2
个相同的封闭小铝环（记为A 环）、1个钻
有许多小孔的封闭小铝环（B 环）、1个开口
小铝环（C 环）、一个封闭的小塑料环(D 环)、
一个大铝环（E 环），一个连有小灯泡的线
圈。

右图为本实验所用的电磁跳环演示仪。

实验内容
一、普通实验
1、分别将1个封闭的小铝环（A环）、钻有许多小孔的小铝环（B环）、开口的小铝环（C环）和小塑料环（D环）放入电磁跳环演示仪中，接通电源，观察实验现象。

现象：A环和B环向上跳起，C环和D环不动。

解释：由于A环和B环是封闭的导体铝环，当接通电磁跳环演示仪的电源时，通电线圈瞬间产生磁场，使穿过铝环的磁通量瞬间增大，由电磁感应定律和楞次定律可知，铝环将产生感应电流激发反向磁场来“抵抗”磁通量的增加，在由安培定律可判断出铝环受到向上的安培力（其值远大于铝环自身的重力）作用，因而往上跳。

然而，由于C 环是开口的，因而其形不成闭合回路，也就不会有感应电流的产生，故不受安培力的作用，C环由于自身的重力作用仍处在台面上。

D环由于不是导体，自然也就不会有感应电流产生，故不受安培力作用，仍处在台面上。

2、将1个A环放入电磁跳环演示仪中，接通电源，待A环稳定在半空中时，再用手拿着大铝环（E环），缓缓套入演示仪中直到与稳定的A环处在同一平面（近似），而后将E环较慢地向上（或向下）运动，观察实验现象。

现象：A环“跟随”E环向上（或向下）运动。

解释：在E环靠近A环的过程中，E环已经由于电磁感应而产生了感应电流，其感应电流又会激发磁场来影响A环。

由楞次定律和安培定
律可知，当E环向上（或向下）运动时，会使通过A环的磁通量发生变化，经过判断可知A环受到向上（或向下）的安培力作用，因而“跟随”E环一起向上（或向下）运动。

3、将1个A环放入电磁跳环演示仪中，接通电源，待A环稳定在半空中时，再用手拿着另一个A环缓缓套入演示仪中，逐渐接近稳定的A环，观察实验现象。

现象：在两个A环考得比较近的时候，稳定的A环突然向上运动，最终与另一个A环粘在一起。

解释：由麦克斯韦涡旋电场理论可知，接交流电源的线圈产生变化的磁场，当两个A环分别放入电磁跳环演示仪的时候，它们都会被磁化而产生涡旋电场，并且其感应电流的方向相同。

由安培定律可知，电流方向相同的两个小铝环会互相吸引，由于在比较接近的时候，它们之间的吸引力大于自身重力，因此稳定的A环向上运动，并最终与另一个A环粘在一起。

4、将连有小灯泡的线圈放入电磁跳环演示仪中，接通电源，观察实验现象。

现象：小灯泡发光。

解释：由麦克斯韦涡旋电场理论可知，接交流电源的线圈产生变化的磁场，而变化的磁场则在其周围产生电场，当连有小灯泡的线圈放入演示仪时，线圈就会产生感应电流，因而小灯泡发光。

二、比较实验
1、分别将1个封闭的小铝环（A环）和1个钻有许多小孔的小铝环
（B 环）放在电磁跳环演示仪中，接通电源，两个小铝环均向上跳起，到达的最大高度分别为1h 、2h ，观察实验现象，比较1h 、2h 的大小。

现象：1h >2h 。

解释1：由麦克斯韦的涡旋电场理论可知，接通交流电源后的电磁跳环演示仪产生变化的磁场，变化的磁场在其周围产生涡旋电场。

由于A 环没有小孔而B 环钻有许多小孔，这样可以认为A 环中的涡旋电流的“环数”多于B 环，再根据安培定律可判断A 环受到的安培斥力比较大，因此A 环上跳的最大高度大于B 环，即1h >2h 。

解释2: 由法拉第电磁感应定律可知，/Nd dt ε=-Φ。

由于A 环没有小孔而B 环钻有许多小孔，这样穿过A 环的净磁通量A ψ大于穿过B 环
的净磁通量B ψ,因此当电流变化而引起磁场变化时，将会有
A B d d ψ>ψ,而交流电的变化频率相同，即A B dt dt =,故A B εε>。

再根据
安培定律就可判断出A 环受到的安培斥力比较大，因此A 环上跳的最大高度大于B 环，即1h >2h 。

2、将1个封闭的小铝环（A 环）放在电磁跳环演示仪中，接通电源，A 环向上跳起到达的最大高度分别为1h ；将1个钻有许多小孔的小铝
环（B 环）和1个封闭的小铝环（A 环）一起放在电磁跳环演示仪中，接通电源，两个小铝环粘在一起向上跳起，到达的最大高度分别为2h ，将1个钻有许多小孔的小铝环（B 环）和2个封闭的小铝环（A 环）一起放在电磁跳环演示仪中，接通电源，三个小铝环粘在一起向上跳起，到达的最大高度分别为3h ,观察实验现象，比较1h 、2h 和3h 的大小。

现象：123h h h <<。

解释1:将1个小铝环近似看成1匝线圈（不知道是否可以？），将2个或3个铝环叠在一起看成是2匝或3匝线圈，即将所有叠在一起的铝环看成一个整体，认为它们之间也有感应电流经过。

这样，由法拉第电磁感应定律/Nd dt ε=-Φ可知：123εεε<<，再由安培定律可得每匝
线圈（不是所有整体）所受的安培斥力有123F F F <<，由于实验所用
的电磁跳环演示仪非常光滑，所以忽略摩擦阻力。

因此，由牛顿第二定律可知：123h h h <<。

解释2：将所有叠在一起的铝环看成一个整体，但认为它们之间彼此绝缘，没有感应电流经过。

由于小铝环很薄，故近似认为上下放置时受力不受影响。

这样铝环叠在一起时与单独放置时，单个相同铝环的受力不变，假设A 环所受安培力为A f ,B 环为B f ,则1个A 环和B 环整
体受力为A B f f +,2个A 环和1个B 环整体受力为2A B f f +，在整个过程
中，我们认为摩擦阻力近似不变（不知道是否合理？），假设每个小铝环的质量均为m(只是为了简化计算，无实质影响)。

因此，1A f f a m -=，22A B f f f a m +-=，323A B f f f a m
+-=。

因为只知道B A f f <，而没有其它条件及相关的定量关系，故只能判断出23a a <，至于与1a 的关系则无法判断。

所以该理论只能解释23h h <，若要知道与1h 的关系，则有待进一步实验。

以上两种不同的解释都对实验的一些方面做了假设，故其正确与否有待通过实验来进一步检验。

三、检验实验
1、将1个封闭的小铝环（A 环）放在电磁跳环演示仪中，接通电源，
A 环向上跳起到达的最大高度分别为1h ；将1个开口的小铝环（C 环）
和1个封闭的小铝环（A 环）用细小的透明胶粘在一起【注：（1）透明胶粘在小铝环的外沿，因此认为它不改变摩擦力；（2）透明胶足够细小，因此认为它基本不影响整体的重力。

】放在电磁跳环演示仪中，接通电源，两个小铝环粘在一起向上跳起，到达的最大高度分别为2h 。

根据解释1的说法，它们之间有感应电流经过，1个A 环看成1匝线圈，1个A 环和1个C 环构成的整体可以看成两个线圈，因此通过观察实验现象，如果12h h <，则说明解释1合理，否则解释1不合理。

实验现象：12h h >。

检验结果：由于实验结果与解释1不符，因此解释1的说法不合理。

但是此实验并不能说明解释2是合理的。

实际上，由于试验中的电磁跳环演示仪和小铝环内表面都十分光滑，它们之间的摩擦力是很小的，相比于安培斥力理论上应该是可以忽略的。

然而，要精确检验解释2是否合理，则要通过进一步的定量实验来检验。

实验总结
1、电磁跳环演示实验涉及到了电磁感应原理、法拉第电磁感应定律、楞次定律、安培定律、麦克斯韦涡旋电场理论等重要的电磁学基本原理，通过体验电磁跳环演示实验，有利于读者提高对物理实验的兴趣，加深对这些电磁学基本原理的理解，更好地掌握所学理论知识。

2、该实验中的有些现象在理论上存在着多种解释，若要进一步检验其合理性，有时必须通过定量实验来完成。