王軍軍 欒照輝 趙 磊 陸世杰

哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080

物理學(xué)是理工科學(xué)習(xí)中的基礎(chǔ)學(xué)科，學(xué)好物理學(xué)對大學(xué)生后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)具有重要推動作用，同時對培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)技術(shù)能力具有重要意義。物理學(xué)不僅是一門理論科學(xué)，也是一門實驗科學(xué)，在發(fā)展過程中，每個定理和理論的提出及驗證，都需要堅實的實驗數(shù)據(jù)作為支撐。隨著科學(xué)技術(shù)的日新發(fā)展，特別是航空航天、核技術(shù)以及電子技術(shù)在發(fā)展過程中，越來越顯示出物理實驗的重要性，因此物理實驗訓(xùn)練在大學(xué)生能力培養(yǎng)中具有重要性及必要性。

大學(xué)物理實驗是高校大部分理工科專業(yè)的必修課，也是大學(xué)物理課程的重要組成部分，它對培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)和能力有著非常重要的作用，為大學(xué)生進行專業(yè)學(xué)習(xí)打下良好的物理基礎(chǔ)。20 世紀(jì)以來，物理學(xué)的發(fā)展推動著科技的進步，當(dāng)今重大的科技成果都與物理息息相關(guān)。大學(xué)物理實驗作為一門基礎(chǔ)實驗課，能夠在讓學(xué)生學(xué)習(xí)理工科實驗的基本下，對經(jīng)典物理有更加深入的了解。

大學(xué)物理實驗作為一門實踐性課程，對理工科學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)實驗方法和實驗技能起到引領(lǐng)作用，是學(xué)生真正了解實驗的開端。大學(xué)物理實驗課程不僅能幫助學(xué)生通過具體實驗了解物理中的概念和規(guī)律，而且有利于培養(yǎng)和提升學(xué)生的動手能力、獨立思考能力、觀察能力，讓學(xué)生學(xué)會發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出問題和解決問題。大學(xué)物理實驗既可以促進學(xué)生對物理基礎(chǔ)知識的吸收，又可為后續(xù)物理相關(guān)方面知識的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

圓線圈和亥姆霍茲線圈測磁場是大學(xué)物理實驗教學(xué)中重要的基礎(chǔ)實驗之一，通過此實驗，使學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握弱磁場的測量方法、熟悉霍爾效應(yīng)測量磁場的原理、學(xué)會亥姆霍茲磁場試驗儀的使用方法、證明磁場迭加原理以及畫圖進行描繪磁場分布，分別實現(xiàn)對學(xué)生的理論計算、數(shù)據(jù)處理和畫圖法等幾方面的物理能力鍛煉。通過此實驗，使得學(xué)生進一步加深對電磁學(xué)中磁場概念的理解，培養(yǎng)實驗素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

一、實驗教學(xué)內(nèi)容

（一）實驗原理

若將通有電流的導(dǎo)體放置在磁場B中，磁場（沿著軸）垂直于電流I（沿著軸）的方向，如圖1所示就會在導(dǎo)體垂直于和I方向出現(xiàn)一個橫向電位差U,這個現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

當(dāng)前狀態(tài)下，樣品中的電荷將不再偏轉(zhuǎn)，這就建立起霍爾電勢差。N 型樣品和P 型樣品建立起的電場相反。如圖1 所示，為兩種不同類型霍爾器件原理圖。設(shè)P 型樣品的載流子濃度為，寬度為，厚度為，那么通過樣品的電流I=，則空穴速率= I/，有

根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，單個載流圓線圈在中心軸線上的磁感應(yīng)強度為：

式中：為真空磁導(dǎo)率，為線圈的半徑，為測試點到線圈圓心的距離，為線圈匝數(shù)，為通過線圈的電流。

亥姆霍茲線圈在軸線上磁感應(yīng)強度為：

2、拓寬資金籌集渠道。為解決土地增值收益長期“取之于農(nóng)、用之于城”的問題，嚴(yán)格貫徹落實中共中央、國務(wù)院《關(guān)于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》里提到的要將更多的土地出讓收入用于支持“三農(nóng)”以及將高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)等新增耕地指標(biāo)和城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤節(jié)余指標(biāo)跨省域調(diào)劑收益，通過支出預(yù)算全部用于支持實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略及鞏固脫貧攻堅成果。

式中：為真空磁導(dǎo)率，為線圈的半徑，為測試點到點（兩個圓線圈圓心連線的中點）的距離，為線圈匝數(shù)，I為通過線圈的電流。

（二）實驗儀器

本文實驗中，采用集成霍爾傳感器測量載流線圈的磁場，實驗儀器為復(fù)旦天欣儀器廠生產(chǎn)的FD-TX-HM-I型亥姆霍茲線圈磁場測定儀，線圈半徑為10.00 cm，線圈匝數(shù)N為500。

（三）實驗內(nèi)容

1.圓線圈中心軸線上磁感應(yīng)強度的測量

選取兩個線圈其中一個作為實驗對象，將直流穩(wěn)流電源中的數(shù)字電流表串接在電源的輸出端，調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)旋鈕，當(dāng)所通電流=100mA 時，測量單線圈軸線上各點磁感應(yīng)強度，每個1.00cm 測一個數(shù)據(jù)，坐標(biāo)=-1.0、0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、7.0（cm），9 個點磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，在每測一個數(shù)據(jù)之前必須將電路斷開，進行調(diào)零后，才可測量、記錄磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，同時，與理論計算結(jié)果進行比較分析。

2.亥姆霍茲線圈中心軸線上磁感應(yīng)強度的測量

3.數(shù)據(jù)處理

通過公式（1）、（2）對單個圓線圈和亥姆霍茲線圈每個測試點進行理論計算，同測量值進行比較。同時，在坐標(biāo)紙上選取合適的坐標(biāo)描繪出單個圓線圈、亥姆霍茲線圈的磁場分布。

二、實驗數(shù)據(jù)處理

運用公式（3）、（4）計算各點磁感應(yīng)強度的理論值，整理各點磁感應(yīng)強度測量值，完成表格1、2。

對表1、2 中的數(shù)據(jù)進行畫圖分析，得到單個載流圓線圈和亥姆霍茲線圈磁場強度與位置的分布圖，證明磁場迭加原理。

三、成績分析

為了了解學(xué)生對實驗的掌握情況，我們選取2019年春季學(xué)期各個專業(yè)的1500 名學(xué)生成績進行分析，如圖2所示。從圖中可以看出，總體成績理想，合格率達(dá)到97.5 %，80 分以上良好達(dá)到50.7 %，說明絕大部分學(xué)生掌握了圓線圈及亥姆霍茲線圈磁場強度的測試方法，從理論教學(xué)和實驗驗證兩方面，加深對物理知識的理解。

通過分析60～80分學(xué)生的實驗報告，大多數(shù)學(xué)生的扣分點都是在理論計算以及實驗誤差分析上。第一個扣分點為理論計算，一部分學(xué)生實驗報告本身沒有這部分計算，一部分學(xué)生計算過程錯誤。造成缺失理論計算的原因在于學(xué)生上課過程中沒有聽清教師的要求，認(rèn)為只是做實驗就可以，沒有進行理論計算，或者只是進行了單個圓線圈的理論計算，而缺失亥姆霍茲線圈的理論計算。另外一部分學(xué)生理論計算錯誤，主要是錯在亥姆霍茲線圈每個位置點的理論計算，其原因是將單個圓線圈的位置點代入亥姆霍茲線圈中進行計算，造成計算錯誤。

第二個扣分點在于對實驗誤差的分析。對于實驗數(shù)據(jù)誤差的分析不清晰、實驗過程中的錯誤造成結(jié)果偏差較大。對于實驗數(shù)據(jù)誤差的分析，實驗通過畫圖法將表中的數(shù)據(jù)進行描點畫圖，分析實驗與理論偏差，以及磁場迭加原理的驗證，一部分學(xué)生畫圖不規(guī)范，沒有單位、沒有描點等問題，一部分學(xué)生描點畫圖不規(guī)范，不同曲線的點沒有區(qū)分，無法區(qū)分不同曲線，這是學(xué)生的基本知識不扎實、作圖不仔細(xì)造成的；對于實驗過程中的錯誤，主要是選點和調(diào)零問題，單個圓線圈和亥姆霍茲線圈選擇點位置是不同，但部分學(xué)生在亥姆霍茲線圈測試中，兩個單獨線圈的位置代入都是單個圓線圈中的位置點，造成實驗錯誤，這部分學(xué)生的實驗操作和數(shù)據(jù)處理過程都會被扣分，得分較低。此外，部分同學(xué)進行測試磁場強度前，沒有調(diào)零，使得測試數(shù)據(jù)誤差較大。

通過對成績的分析，了解學(xué)生丟分點，發(fā)現(xiàn)學(xué)生成績差的原因主要是學(xué)生對大學(xué)物理實驗的認(rèn)識不足，并沒有做到提前預(yù)習(xí)，對實驗過程中理論知識沒有完全掌握；同時，由于課堂時間有限，教師對實驗操作的講解重于理論知識介紹，學(xué)生雖然在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗，但對于基礎(chǔ)知識和數(shù)據(jù)處理的掌握需要多加強練習(xí)，督促學(xué)生在學(xué)習(xí)上要養(yǎng)成良好習(xí)慣。除此之外，在實驗教學(xué)中，鼓勵學(xué)生通過Origin、Matlab 等軟件，對實驗數(shù)據(jù)進行處理，掌握在現(xiàn)代科學(xué)研究過程中處理軟件的初步使用。如圖3所示，我們使用Origin軟件對表1、2的數(shù)據(jù)進行了畫圖分析，更加形象地說明了磁場的分布，以及通過此實驗很好地證明了磁場的迭加原理。

綜上所述，本文對單個載流圓線圈和亥姆霍茲線圈實驗進行了系統(tǒng)論述，從成績分析的結(jié)果，看到學(xué)生在學(xué)習(xí)過程遇到問題和不足，對教學(xué)內(nèi)容和方法進行改進，加強學(xué)生對磁場分布和磁場迭加原理的認(rèn)識，避免學(xué)生在操作過程中出現(xiàn)坐標(biāo)點不清晰的問題，通過畫圖深化對場概念的認(rèn)識。為適應(yīng)新時代對人才的要求，對大學(xué)物理實驗教學(xué)中遇到的問題和不足進行分析，教學(xué)模式依然是傳統(tǒng)教學(xué)模式，教師在課堂向?qū)W生進行講解以及實驗演示，學(xué)生根據(jù)要求和指導(dǎo)步驟完成操作，記錄測量的數(shù)據(jù)，完成對數(shù)據(jù)的分析。但大部分學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中對實驗?zāi)康暮驮聿磺逦?，實驗過程也沒有思考，只是機械地完成實驗，很難達(dá)到鍛煉學(xué)生的預(yù)期效果。同時，教師必須在有限的時間內(nèi)完成實驗內(nèi)容講解，很難對學(xué)生就實驗內(nèi)容和操作進行啟發(fā)，更難以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和思考性。

因此，大學(xué)物理實驗教師要靈活運用教學(xué)模式、不斷更新教學(xué)內(nèi)容，找出教學(xué)中的不足，改進教學(xué)方法，這是每位教師的責(zé)任和義務(wù)。在實驗教學(xué)過程，我們將繼續(xù)努力，不斷提高自身能力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提高物理實驗教學(xué)質(zhì)量。