利用ＤＩＳ探究霍爾效應

摘要：本文介紹了在中學物理教學中利用DIS探究霍爾效應的實驗方法。

關鍵詞：物理教學；DIS；霍爾效應

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1003-6148(2008)1(S)-0053-3

1 引言

普通高中課程標準實驗教科書《物理》講述了“霍爾效應”，^[1]但是教材中只是簡單介紹了霍爾效應現象和霍爾電壓等概念。“霍爾效應是怎么產生的？”、“霍爾電壓與磁感應強度及其他物理量有什么關系？”、“描述霍爾元件有哪些主要參數？”等內容學生缺少感性認識。學生在物理實驗室中利用常規器材研究金屬的霍爾效應會碰到許多困難，這是因為金屬的霍爾效應很弱，一般條件下無法測量到霍爾電壓。即便是半導體的霍爾元件，霍爾電壓也要用數字毫伏表來測量，另外電磁感應強度也不易測量。

為了幫助學生更好地進行課題研究，我們引導學生利用DIS技術來探究霍爾效應，化解課題難點，并取得很好的效果。

DIS（Digital Information System，即數字化信息系統）由傳感器、數據采集器和數據處理軟件組成與計算機配合使用，可以實時采集、處理實驗數據，把實驗結果以表格、圖像等形式顯示出來。

2 課題探究

利用DIS實驗室，針對霍爾效應課題研究內容，利用磁場傳感器、微電流傳感器、數據采集器及計算機系統，觀察霍爾效應現象，并研究霍爾電流與磁感應強度的關系。讓學生自己發現規律，總結規律。下面介紹此課題的主要內容：定量研究霍爾電流與磁感應強度的關系。

2．1 實驗電路（圖1）

2．2 探究器材

①磁場傳感器：可測量不同磁場環境下的磁感應強度，解決了原先實驗室不能測量磁感應強度的問題。

②微電流傳感器：量程10μA，是測定微小電流的儀器，與傳統的靈敏電流表相比，具有兩個優點：一是測定電流時反應更迅速，因此可以捕捉到很微弱的瞬時電流i的變化；二是它可以通過數據采集器與計算機連接，直接在屏幕上顯示出微小電流i隨時間t的變化圖象，可間接反映霍爾電壓的變化情況。

③蘇威爾DISLab數據采集器：采集磁場傳感器和微電流傳感器信息，并把采集到的數據傳輸給計算機系統。

④霍爾元件：有四個引腳，如圖2所示，其中1、3為輸入端，與電阻箱、開關、電池串聯。2、4為輸出端，與微電流傳感器串聯。

⑤電阻箱：1000Ω

⑥電源E：1.5V干電池

⑦條形磁鐵

⑧單刀開關S

⑨DISLab網絡實驗室環境：WINDOWS98以上操作系統，安裝蘇威爾數字化實驗室軟件。

2．3 探究過程

①按圖1所示電路進行實物連線，在此實驗中，將磁場傳感器的探測頭與霍爾元件捆綁在一起。

②接通蘇威爾DISLab實驗數據采集盒電源，打開電腦及蘇威爾DISLab專用軟件，選中“磁學：霍爾電流與磁感應強度的關系界面”（圖3）。點擊“進入”按鈕，會顯現其界面（圖4）。

③將磁場傳感器和微電流傳感器校零，然后閉合開關，點擊“開始”按鈕，移動條形磁鐵，軟件會在窗口自動顯示磁感應強度和霍爾電流的圖象。實驗中將條形磁鐵N極正對霍爾元件從遠處慢慢靠近，后又慢慢遠離；再迅速調換N和S極，將條形磁鐵S極正對霍爾元件從遠處慢慢靠近，后又慢慢遠離。圖5是磁感應強度的變化圖象，圖6是霍爾電流的變化圖象。

④對采集到的數據利用軟件進行分析。

點擊“霍爾電流與磁感應強度的關系”按鈕，計算機軟件自動生成霍爾電流與磁感應強度的關系圖象（圖7）。利用直線擬合工具，可以得到兩者的關系式為y=0.098x+0.006，其中x軸表示磁感應強度，y軸表示霍爾電流，擬合度高達99.6%，這表明在實驗誤差允許范圍內，霍爾電流與磁感應強度成正比。

2．4 理論分析

如圖8所示，一塊矩形金屬薄片ABCD厚度為d，寬度為b，通有電流I，垂直金屬片加一個勻強磁場，磁感應強度為B，根據經典的金屬導電電子理論，參與導電的自由電子（圖中白色小圓點）由于洛倫茲力的作用而向AB一側漂移，從而堆積在AB一側，使AB一側帶負電；原子核（圖中灰色圓點）并不移動，CD一側原子核的正電荷多于電子的負電荷，從而帶正電，金屬中就建立起一個電場E，當電場力等于洛倫茲力后，自由電子就不再漂移。于是有qE＝qvB。

其中q為載流子（金屬為自由電子）的電量，v為載流子定向移動的速率，由電流的微觀表達式I=nqvS，（S=bd，n為單位體積內載流子的數目）得到v，再利用電壓UH和電場E的關系，就可以得出霍爾電壓的表達式UH=IBnqd；設沿霍爾電流回路的電阻為R，根據歐姆定律可得霍爾電流的表達式

IH=UHR=IBnqdR=RHIBdR，

其中RH=1nq叫做霍爾系數。

2．5 實驗結論

①在勻強磁場中放置一個矩形截面的載流導體，當磁場方向和電流方向垂直時，導體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現了電勢差。這個現象稱為霍爾效應。側向電壓叫做霍爾電壓，側向電流叫做霍爾電流。

②在實驗誤差允許范圍內，當輸入電流I一定時，霍爾電流IH和磁感應強度B成正比，實驗數據和理論推導的結論相符。

3 結束語

信息技術與物理課程的整合是時代的必然趨勢，是普通高中物理課程標準上的新理念。新課程指出，教師既是教材的實施者，又是教材的開發者，利用信息技術進行教材的設計和開發，有利于加速和改善學生對世界的理解，激發學習興趣，增加學生獲取信息的渠道。在探究霍爾效應的課題中應用DIS技術，學生很容易檢測霍爾電流與磁感應強度的關系，有助于學生了解霍爾效應現象和理解其中包含的物理規律。并且DIS簡化了實驗數據的采集和數據的處理過程，大幅度提高了實驗精度和實驗效率。

參考文獻：

［1］人民教育出版社編.普通高中課程標準實驗教科書《物理》（選修3-1)

(欄目編輯 王柏廬)

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”