实验十 磁阻尼和动摩擦系数的测定

【实验目的】

1．观测磁阻尼现象。

2．学习测量磁阻尼和动摩擦系数的方法。

3．进一步了解磁阻尼系数、动摩擦系数的概念。

【实验原理】

1．磁阻尼现象

当大块金属与磁场有相对运动或处在变化磁场中时，会产生电磁感应现象，在金属块内会激起感应电流，由楞次定律可以判定，感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因，因此金属块的运动要受到与运动方向相反的阻力—即感应电流受到的磁场安培力作用。感应电流产生的机械效应即为磁阻尼现象。

2．磁阻尼系数和动摩擦系数的测定原理

磁性滑块在非铁磁质良导体斜面上匀速下滑时，滑块受的阻力除滑动摩擦力FS外，还有磁阻尼力FB 。

设磁性滑块在斜面处产生的磁感应强度为B；滑块与斜面接触的截面不变，其线度为l 。当滑块以匀速率v下滑时，可看作斜面相对于滑块向上运动而切割磁感应线。由电磁感应定律，在斜面上的切割磁感应线部分将产生电动势E=Blv，如果把由于磁感应产生的电流流经斜面部分的等效电阻设为R，则感应电流应与速度v成正比，即为，此时斜面所受到的安培力F正比于电流I，即为F∝I 。而滑块受到的磁阻尼力FB就是斜面所受安培力F的反作用力，方向与滑块运动方向相反。由此推出：FB应正比于v，可表达为FB=Kv（K为常数，将它称为磁阻尼系数）。因为滑块运动是匀速的，故它在平行于斜面方向应达到力平衡，从而有

（10-1）

式（10-1）中W是滑块所受重力，θ是斜面与水平面的倾角，μ为滑块与斜面间的滑动摩擦系数。若将方程式（10-1）的两边同时除以，可得方程

（10-2）

显然，tanθ和成线性关系（）。作出tanθ -直线图，可得斜率a和截距b

K=a·W （10-3）

μ=b （10-4）

【实验仪器】

MF-1 磁阻尼和动摩擦系数测定仪、HTM-2 霍尔开关用计时仪、磁性滑块、3根导线、米尺。

将3M型透明隐形胶带分别粘于磁性滑块的两滑动面上和铝质斜面上，对其动摩擦系数进行研究。

【实验内容及步骤】

⑴ 将两传感器的V+、V-和OUT接头分别与HTM-1计时仪的5V、GND和INPUT接线柱相接。

⑵ 调节夹子M，使斜面具有某一倾角，调节螺钉3，使滑块下滑时不往旁边偏离。

⑶ 测量重垂线和底边的长度，计算倾角的大小。

⑷ 使滑块从斜面上端开始向下滑动，滑块的蓝色面朝下，滑块不仅受到滑动摩擦力的作用，而且还受到磁阻尼力的作用。

⑸ 在约20°＜θ＜45°的范围内能达到匀速下滑的实验条件，对于同一θ值，让滑块从不同的高度滑下，由通过两传感器的时间相同，来说明滑块在A、B间的运动是匀速的。

图10-1 MF-1磁阻尼和动摩擦系数测定仪和HTM-2霍尔开关用计时仪

1．HTM-2霍尔开关用计时仪，它由5V直流电源和电子计时器组成；

2．铝质槽形斜面，可通过夹子M的上下移动来调节倾角θ，在斜面的反面A、B处各装1个霍尔开关，用计时仪可测量滑块通过A、B的时间；

3．调节斜面横向倾角的螺钉，可以防止滑块在下滑过程中靠近某一侧；

4．重锤，用来确定底边L和高H的长度，从而得出θ并计算tanθ和cosθ的值；

5．磁性滑块，它是在圆柱形非磁性材料的一个滑动面上粘一薄片磁钢制成的，因而在这一面附近的磁感应强度较强，而另一面由于离磁钢较远，所以它附近的磁感应强度很弱，以至可以忽略不计。为了区别，将强磁场面涂成蓝色，弱磁场面涂成红色。

⑹ 倾角不变，使滑块从不同高度c1，c2，…等处滑下，记录滑块通过A、B两点的时间。求取平均值。

⑺ 测量A、B两点间的距离，计算滑块下滑速度。

⑻ 改变倾角θ，按以上步骤再次测量。

⑼ 测量滑块质量m 。

⑽ 作出tanθ -直线图，由此图求出斜率a、截距b。根据式（3）、（4）计算磁阻尼系数K和滑动摩擦系数μ 。

⑾ 用最小二乘法进行数据处理，计算磁阻尼系数K和滑动摩擦系数μ 。

【数据记录】

AB距S= 滑块质量m=

【数据处理】

【注意事项】

⑴ 按实验示意图连接导线后，接通HTM-2霍尔开关计时仪的电源，在滑块下滑前按一下计时仪的RESET键，复零计时数。

⑵ 滑块接触导轨面的磁性为N极，在滑块滑到第一个对应导轨下面的霍尔开关位置时，会使霍尔开关传感器输出低电平，计时仪上相应的指示灯发光，计时仪开始计时；在滑块再滑到第二个对应导轨下面的霍尔开关位置时，霍尔开关传感器输出低电平，计时仪上相应的指示灯发光，计时仪停止计时，并保持所计的时间到按RESET键前。若滑块接触导轨面的磁性为S极，不会使霍尔开关传感器输出低电平，计时仪不计时。

⑶ 由于滑动摩擦系数与接触表面有关，务请实验前用柔软的纸仔细擦拭实验导轨和实验滑块。请留意湿度和灰尘对滑动摩擦的影响。

【思考题】

1．磁阻尼系数的大小与哪些因素有关？

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