基于DIS的電磁感應(yīng)定律實驗裝置設(shè)計與探究

魯 斌　馮子江

(浙江省余姚中學(xué)　浙江 寧波　315400)

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基于DIS的電磁感應(yīng)定律實驗裝置設(shè)計與探究

魯 斌馮子江

(浙江省余姚中學(xué)浙江 寧波315400)

電磁感應(yīng)定律教學(xué)的難點在于繼定性分析之后，如何有效地引導(dǎo)學(xué)生理解感應(yīng)電動勢與磁通量變化率的關(guān)系，并得出定律的數(shù)學(xué)表述.本文通過自制的電磁感應(yīng)定律實驗裝置，通過使磁場均勻變化和按三角函數(shù)變化，比較磁感應(yīng)強度變化曲線和感應(yīng)電流變化曲線，明確“變化率”的概念.接著用單擺實驗和磁鐵下落實驗進行猜想和探究，體會“變化率”的內(nèi)涵.

DIS電磁感應(yīng)定律自制教具變化率

電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)的核心內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)定律時，由于磁通量的變化無法直接觀察，感應(yīng)電動勢只在磁通量變化時產(chǎn)生，也較難測量.教材中并未安排定量探究的實驗，對于感應(yīng)電動勢與磁通量的變化率之間的關(guān)系，學(xué)生很難有理性的認識，導(dǎo)致在學(xué)習(xí)過程中無法深刻理解其實質(zhì).

筆者通過自制的法拉第電磁感應(yīng)定律實驗裝置，通過不同的磁場變化和所對應(yīng)的感應(yīng)電流變化情況進行比較研究，讓學(xué)生從實驗圖像中體會變化率的內(nèi)涵.

1　磁場均勻變化 感應(yīng)電流不變

如圖1所示，筆者設(shè)計了“電磁感應(yīng)演示儀1”.利用馬達勻速帶動穩(wěn)壓源旋鈕，使通過副線圈中的磁通量均勻變化.為了讓學(xué)生能夠直觀地了解感應(yīng)電動勢隨磁通量的變化情況，借助DIS，利用磁感應(yīng)強度傳感器記錄副線圈中的磁場變化情況，利用微電流傳感器記錄原線圈中感應(yīng)電流的變化情況，進而引導(dǎo)學(xué)生對曲線做整體的分析，得到初步猜想.

圖1　電磁感應(yīng)演示儀1

得到的圖像如圖2所示，藍色的曲線為磁感應(yīng)強度變化曲線，紅色的曲線為微電流的變化曲線.整個圖線可以分成5部分.磁場為零，微電流為零；磁場均勻增大，微電流保持不變；磁場保持最大值不變，微電流為零；磁場均勻減小，微電流保持不變；磁場減小為零，微電流為零.

圖2　感應(yīng)電流隨磁感應(yīng)強度變化曲線

從圖像中可以很清楚地看到，只要磁場不變化，電流為零，磁場均勻變化，感應(yīng)電流保持不變.由電磁感應(yīng)定律，若

B=kt+B0

則

若k值不變，則感應(yīng)電動勢保持不變，感應(yīng)電流也不變，與實驗結(jié)果相吻合.引導(dǎo)學(xué)生類比運動學(xué)中速度-加速度變化的關(guān)系，明確感應(yīng)電流的大小可以用磁感應(yīng)強度的變化率描述，即感應(yīng)電動勢的大小可用磁通量的變化率描述.

若增大馬達的轉(zhuǎn)速，即增大磁感應(yīng)強度的增大速度，即k值增大，則感應(yīng)電動勢也會增大.實驗圖像如圖3(a)和圖3(b)所示.

(a)

(b)

2　磁場變化為三角函數(shù) 感應(yīng)電流相位相差

如圖4所示，筆者設(shè)計了“電磁感應(yīng)演示儀2”，將彈簧懸掛在鐵架臺上，下端連接磁鐵.將副線圈置于其下端，并與微電流傳感器相連，測量感應(yīng)電流的變化情況.在中間放入磁感應(yīng)強度傳感器，測量磁場的變化情況.將磁鐵稍向下移動，并釋放，讓其開始振動.

圖4　電磁感應(yīng)演示儀2

圖5　感應(yīng)電流隨磁感應(yīng)強度變化曲線

由電磁感應(yīng)定律，若

若將線圈輸出端短接，如圖6所示，則線圈形成閉合回路，產(chǎn)生的感應(yīng)電流在線圈內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)磁場，阻礙磁鐵的運動，則此時磁鐵做較明顯的阻尼振動.

圖6　阻尼振動裝置

測得的磁感應(yīng)強度變化情況如圖7所示，其最大值在不斷減小，說明磁鐵振動的最低點在不斷遠離線圈，振幅逐漸減小.

圖7　電磁阻尼

3　探究單擺運動中 磁感應(yīng)強度與感應(yīng)電流的變化情況

如圖8所示，將圖6實驗裝置的彈簧磁鐵系統(tǒng)換成懸掛著磁鐵的單擺系統(tǒng).將磁鐵拉開一定的角度，然后靜止釋放，磁鐵開始擺動，通過線圈的磁場也會發(fā)生變化.

圖8　電磁感應(yīng)演示儀3

圖9　感應(yīng)電流隨磁感應(yīng)強度變化曲線

實驗結(jié)果如圖9所示.從圖像中我們可以看出，在磁鐵來回擺動的過程中，磁場發(fā)生周期性變化.對于A點磁感應(yīng)強度最小，變化率為零，所對應(yīng)的感應(yīng)電流為零，此時，磁鐵處于最大振幅處，速度為零.對于B點磁感應(yīng)強度最大，變化率最大，感應(yīng)電流最大，此時，磁鐵處于最低點，速度最大.

4　探究條形磁鐵通過線圈時 磁感應(yīng)強度與感應(yīng)電流的變化情況

將磁感應(yīng)強度傳感器從副線圈中取出，橫放在線圈外側(cè)中部，將條形磁鐵在線圈某一高度處靜止釋放.由于磁鐵運動的速度較快，所以能采集到的數(shù)據(jù)點不多，圖線呈折線.但是，我們?nèi)钥梢酝ㄟ^此圖像進行研究.得到的實驗圖像如圖10所示.

圖10　感應(yīng)電流隨磁感應(yīng)強度變化曲線

在AB段，磁鐵靠近線圈，磁感應(yīng)強度逐漸增大，且速度逐漸增大，感應(yīng)電流逐漸增大；BC段，磁感應(yīng)強度反向，此時變化率最大，感應(yīng)電流最大；CD段，磁鐵遠離線圈，磁感應(yīng)強度減小，雖然速度增大，但總體磁通量變化率減小，感應(yīng)電流減小，最后減為零.

5　結(jié)語

在課堂教學(xué)中，可以先演示磁感應(yīng)強度均勻變化和呈三角函數(shù)變化的實驗，讓學(xué)生在圖像中得出磁通量與感應(yīng)電動勢之間“變化率”的關(guān)系.接著用單擺實驗和磁鐵下落實驗進行猜想和探究，體會“變化率”的內(nèi)涵.在保持線圈面積與電阻不變的情況下，磁通量的變化規(guī)律可利用梯形、鋸齒形等多變化規(guī)律的電流來呈現(xiàn)，也可利用低頻交流電實驗[1]，從B-t圖與I-t圖的比較與分析中，探究感應(yīng)電流與磁場強度變化之關(guān)系.進一步了解曲線之間的相位關(guān)系，進一步驗證電磁感應(yīng)定律的正確性.

1徐衛(wèi)東.利用DISLab探究感應(yīng)電動勢大小與磁通量變化關(guān)系.物理教師，2008，29(9)：27

2016-01-04)

林慧金(1995-)，女，本科生，主要研究方向為物理實驗.指導(dǎo)教師：李德安(1974-)，男，高級實驗師，主要研究方向為物理實驗與科技創(chuàng)新、信息技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用研究等.