光電門與電壓放大器做電磁感應(yīng)定律驗證實驗

放大電路使用Lm358P集成運放，加上電阻構(gòu)建一個電壓線性放大模塊，原理圖如圖2，自制電壓放大模塊實物圖如圖3所示。

 

電壓放大模塊中的R1用1千歐姆電阻，R2用10千歐姆電阻，這樣放大倍數(shù)為11。因為輸入的感應(yīng)電動勢大概為100mV，經(jīng)過放大后達(dá)到1000mV，用精度為5mV的Arduino模擬信號輸入端來采集，誤差大概0.5%，達(dá)到實驗要求。

以下為Arduino端的主要代碼，通過這些代碼可以看到具體的數(shù)據(jù)采集過程。

……省略變量定義部分,以下主程序循環(huán)執(zhí)行，大概10微秒執(zhí)行一遍。

if(digitalRead(inputPin1) ==HIGH)//如果光電門輸入信號為1，即擋光時

{  if(i1==0)                     //如果同時i1變量等于0

  {  t1=micros();                //令變量t1等于此刻時間，精確到1微秒

  i1=1;    }                     //令變量i1等于1，下次循環(huán)不再執(zhí)行上面程序

   if(i1==1)                       //如果變量i1等于1，即擋光的過程中

  {  v1=analogRead(A0);    //每執(zhí)行一次程序采集一個電壓值，大概每10微秒采集一次

  vv+=v1;                   //變量vv為對電壓進(jìn)行累加的值

  i++;    }}                  //令變量i每執(zhí)行一次增加1

//如果光電門輸入信號為0并且i1等于1，即擋光剛結(jié)束時

{ tt1=micros();              //令變量tt1等于此刻時間，精確到1微秒

  t1=tt1-t1;                 //通過tt1與t1想減計算得到時間間隔

  i1=0;                      //令變量i1等于0，即此次擋光計算結(jié)束

  v1=vv/i;                   //累加的電壓除于累加次數(shù)得到平均電壓值

   Serial.print(t1);         //發(fā)送時間間隔

   Serial.print("t ");       //發(fā)送分割字母

   Serial.print(v1);         //發(fā)送平均電壓值

   Serial.print(0,BYTE);     //發(fā)送結(jié)束字符

   delay(100);}   }

通過以上代碼可以計算得到光電門擋光時間，以及對擋光時間內(nèi)大概每10微秒采集一次的電壓求平均得到的平均電壓。因為程序每執(zhí)行一遍會有100微秒左右的延時，所以計算得到的擋光時間間隔也會有約20微秒的誤差。由于每次擋光時間大概有幾十毫秒，所以擋光時間間隔的誤差大概有0.5%左右，達(dá)到實驗精度。圖4為實驗裝置實物圖。

 

軟件部分利用Adobe Flash來開發(fā)，最后生成swf動畫課件。因為具體代碼較多，這里不再列出。圖為課件界面。

 

當(dāng)移動小車正向通過光電門時，課件中的小車也會移動。當(dāng)Arduino端發(fā)送數(shù)據(jù)時，課件中會實時顯示在對應(yīng)的方框內(nèi)。點擊記錄數(shù)據(jù)按鈕，可以將此次數(shù)據(jù)記錄在表格中。當(dāng)移動小車反向通過光電門時，課件中的小車也會回到原來位置，并且方框中的數(shù)據(jù)同時清零。移動小車反復(fù)經(jīng)過光電門，就可以記錄多組時間間隔和感應(yīng)電動勢的數(shù)據(jù)。

記錄完后，將表格中的數(shù)據(jù)復(fù)制，并粘貼到Excel表格中，利用Excel來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，圖6為某此實驗數(shù)據(jù)。

從實驗數(shù)據(jù)中可以看到，在同樣匝數(shù)下，感應(yīng)電動勢和擋光時間的乘積為一定值。如果將線圈匝數(shù)增大一倍，感應(yīng)電動勢和擋光時間的乘積也增大一倍。由此可以得到法拉第電磁感應(yīng)定律。