利用DIS探究霍尔效应

摘要：本文介绍了在中学物理教学中利用DIS探究霍尔效应的实验方法。

关键词：物理教学；DIS；霍尔效应

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1003-6148(2008)1(S)-0053-3

1 引言

普通高中课程标准实验教科书《物理》讲述了“霍尔效应”，[1]但是教材中只是简单介绍了霍尔效应现象和霍尔电压等概念。“霍尔效应是怎么产生的？”、“霍尔电压与磁感应强度及其他物理量有什么关系？”、“描述霍尔元件有哪些主要参数？”等内容学生缺少感性认识。学生在物理实验室中利用常规器材研究金属的霍尔效应会碰到许多困难，这是因为金属的霍尔效应很弱，一般条件下无法测量到霍尔电压。即便是半导体的霍尔元件，霍尔电压也要用数字毫伏表来测量，另外电磁感应强度也不易测量。

为了帮助学生更好地进行课题研究，我们引导学生利用DIS技术来探究霍尔效应，化解课题难点，并取得很好的效果。

DIS（Digital Information System，即数字化信息系统）由传感器、数据采集器和数据处理软件组成与计算机配合使用，可以实时采集、处理实验数据，把实验结果以表格、图像等形式显示出来。

2 课题探究

利用DIS实验室，针对霍尔效应课题研究内容，利用磁场传感器、微电流传感器、数据采集器及计算机系统，观察霍尔效应现象，并研究霍尔电流与磁感应强度的关系。让学生自己发现规律，总结规律。下面介绍此课题的主要内容：定量研究霍尔电流与磁感应强度的关系。

2．1 实验电路（图1）

2．2 探究器材

①磁场传感器：可测量不同磁场环境下的磁感应强度，解决了原先实验室不能测量磁感应强度的问题。

②微电流传感器：量程10μA，是测定微小电流的仪器，与传统的灵敏电流表相比，具有两个优点：一是测定电流时反应更迅速，因此可以捕捉到很微弱的瞬时电流i的变化；二是它可以通过数据采集器与计算机连接，直接在屏幕上显示出微小电流i随时间t的变化图象，可间接反映霍尔电压的变化情况。

③苏威尔DISLab数据采集器：采集磁场传感器和微电流传感器信息，并把采集到的数据传输给计算机系统。

④霍尔元件：有四个引脚，如图2所示，其中1、3为输入端，与电阻箱、开关、电池串联。2、4为输出端，与微电流传感器串联。

⑤电阻箱：1000Ω

⑥电源E：1.5V干电池

⑦条形磁铁

⑧单刀开关S

⑨DISLab网络实验室环境：WINDOWS98以上操作系统，安装苏威尔数字化实验室软件。

2．3 探究过程

①按图1所示电路进行实物连线，在此实验中，将磁场传感器的探测头与霍尔元件捆绑在一起。

②接通苏威尔DISLab实验数据采集盒电源，打开电脑及苏威尔DISLab专用软件，选中“磁学：霍尔电流与磁感应强度的关系界面”（图3）。点击“进入”按钮，会显现其界面（图4）。

③将磁场传感器和微电流传感器校零，然后闭合开关，点击“开始”按钮，移动条形磁铁，软件会在窗口自动显示磁感应强度和霍尔电流的图象。实验中将条形磁铁N极正对霍尔元件从远处慢慢靠近，后又慢慢远离；再迅速调换N和S极，将条形磁铁S极正对霍尔元件从远处慢慢靠近，后又慢慢远离。图5是磁感应强度的变化图象，图6是霍尔电流的变化图象。

④对采集到的数据利用软件进行分析。

点击“霍尔电流与磁感应强度的关系”按钮，计算机软件自动生成霍尔电流与磁感应强度的关系图象（图7）。利用直线拟合工具，可以得到两者的关系式为y=0.098x+0.006，其中x轴表示磁感应强度，y轴表示霍尔电流，拟合度高达99.6%，这表明在实验误差允许范围内，霍尔电流与磁感应强度成正比。

2．4 理论分析

如图8所示，一块矩形金属薄片ABCD厚度为d，宽度为b，通有电流I，垂直金属片加一个匀强磁场，磁感应强度为B，根据经典的金属导电电子理论，参与导电的自由电子（图中白色小圆点）由于洛伦兹力的作用而向AB一侧漂移，从而堆积在AB一侧，使AB一侧带负电；原子核（图中灰色圆点）并不移动，CD一侧原子核的正电荷多于电子的负电荷，从而带正电，金属中就建立起一个电场E，当电场力等于洛伦兹力后，自由电子就不再漂移。于是有qE＝qvB。

其中q为载流子（金属为自由电子）的电量，v为载流子定向移动的速率，由电流的微观表达式I=nqvS，（S=bd，n为单位体积内载流子的数目）得到v，再利用电压UH和电场E的关系，就可以得出霍尔电压的表达式UH=IBnqd；设沿霍尔电流回路的电阻为R，根据欧姆定律可得霍尔电流的表达式

IH=UHR=IBnqdR=RHIBdR，

其中RH=1nq叫做霍尔系数。

2．5 实验结论

①在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向和电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差。这个现象称为霍尔效应。侧向电压叫做霍尔电压，侧向电流叫做霍尔电流。

②在实验误差允许范围内，当输入电流I一定时，霍尔电流IH和磁感应强度B成正比，实验数据和理论推导的结论相符。

3 结束语

信息技术与物理课程的整合是时代的必然趋势，是普通高中物理课程标准上的新理念。新课程指出，教师既是教材的实施者，又是教材的开发者，利用信息技术进行教材的设计和开发，有利于加速和改善学生对世界的理解，激发学习兴趣，增加学生获取信息的渠道。在探究霍尔效应的课题中应用DIS技术，学生很容易检测霍尔电流与磁感应强度的关系，有助于学生了解霍尔效应现象和理解其中包含的物理规律。并且DIS简化了实验数据的采集和数据的处理过程，大幅度提高了实验精度和实验效率。

参考文献：

［1］人民教育出版社编.普通高中课程标准实验教科书《物理》（选修3-1)

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”

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