自制法拉第電磁感應(yīng)定律定量探究實(shí)驗(yàn)儀

劉明勝+趙亞均

摘 要：法拉第電磁感應(yīng)定律課堂上很難進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)。采用傳感器進(jìn)行探究所用裝置復(fù)雜，成本較高，學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)有困難。本文利用自由落體規(guī)律和電容器的充電等知識(shí)，結(jié)合數(shù)字電壓表、二極管等簡(jiǎn)單元件讓學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)效果好，精準(zhǔn)度高，深受師生青睞。

關(guān)鍵詞：原理與裝置；數(shù)據(jù)分析處理；制作與特點(diǎn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）2-0061-3

《法拉第電磁感應(yīng)定律》這一節(jié)內(nèi)容在高中物理教材中既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，不少教材對(duì)這一定律的得出也是簡(jiǎn)單描述便得出法拉第電磁感應(yīng)定律。學(xué)生對(duì)這一規(guī)律的得出缺乏感性認(rèn)識(shí)，更沒(méi)有動(dòng)手探究的機(jī)會(huì)。我們參照一些文獻(xiàn)并進(jìn)一步改進(jìn)，在教學(xué)中自制“法拉第電磁感應(yīng)定律定量探究實(shí)驗(yàn)儀。”[1-3]讓學(xué)生參與探究活動(dòng)，學(xué)生操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)精度高，效果好，現(xiàn)分享如下：

1 實(shí)驗(yàn)原理與裝置

如圖1所示，將塑玻管穿過(guò)固定的自制線圈中心，然后將強(qiáng)磁鐵沿著塑玻管做自由落體運(yùn)動(dòng)穿過(guò)線圈，穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生改變，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，對(duì)電容器充電（如圖2所示）。充電結(jié)束，由于二極管具有單向?qū)щ娦?，電容器不能通過(guò)二極管放電，此時(shí)并聯(lián)在電容器兩端的數(shù)字電壓表可測(cè)出電容器兩端的最高電壓，此電壓便是磁體通過(guò)線圈時(shí)產(chǎn)生的最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

（1）探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與匝數(shù)n間的定量關(guān)系（保持一定）

讓強(qiáng)磁體從同一高度自由下落，每次穿過(guò)線圈的磁通量的變化量ΔΦ相同，到達(dá)線圈的速度相同，穿過(guò)線圈所用時(shí)間Δt相同，就保持不變。改變線圈接入電路的匝數(shù)，就可以研究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與匝數(shù)n間的定量關(guān)系。

（2）探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與之間的定量關(guān)系（保持匝數(shù)一定）

同一強(qiáng)磁體從不同高度自由下落，穿過(guò)固定線圈，每次通過(guò)線圈磁通量的變化量一樣，磁體穿過(guò)線圈的時(shí)間與穿過(guò)線圈的速度有關(guān)。

讓磁體從不同的高度自由下落，當(dāng)下落的高度h1：h2：h3：h4：h5=1：4：9：16：25時(shí)，由自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知經(jīng)過(guò)線圈的瞬時(shí)速度v=，物體的末速度之比v1：v2：v3：v4：v5=1：2：3：4：5。這樣，經(jīng)過(guò)線圈這一很小位移所用的時(shí)間之比t1：t2：t3：t4：t5=：：：：，則：：：：=v1：v2：v3：v4：v5=1：2：3：4：5。本實(shí)驗(yàn)裝置采用強(qiáng)磁體釋放高度之比為9：16：25：36：49，則磁通量的變化率之比便為3：4：5：6：7。隨后，研究分別從這5個(gè)高度自由下落經(jīng)過(guò)線圈時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化率間的定量關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理

（1）探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與匝數(shù)間的定量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)圖像（保持一定）（如表1、圖3所示）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在一定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈的匝數(shù)成正比。

（2）探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與間的定量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)圖像（保持匝數(shù)一定）（表2、圖4）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在匝數(shù)一定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與成正比。

該教具經(jīng)過(guò)上千次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)測(cè)量穩(wěn)定，研究規(guī)律方便，能很好地研究出實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

3 教具的制作

（1）按圖5所示，用松木板制作40 cm ×30 cm×25 cm的長(zhǎng)方形木箱。在區(qū)域1挖一直徑為3.5 cm的小孔，在區(qū)域2中挖一8 cm×5 cm的矩形小孔。

（2）截取內(nèi)徑3 cm、長(zhǎng)80 cm的塑玻管。

（3）用直徑為0.15 mm的漆包線分別在直徑為

3.7 cm的圓形線模上密繞400、600、800、1000、1200匝。

（4）直流數(shù)字電壓表的量程為0～50 V，精度為0.1 V。

（5）二極管為普通整流二極管，耐壓高于500 V。電容器選取耐壓較高、容量較小的電解電容器。強(qiáng)磁體采用兩個(gè)15 mm×6 mm的釹鐵硼強(qiáng)磁體。

（6）按圖1和圖2組裝器材，組裝過(guò)程注意各元件焊接的可靠性和美觀性。

4 教具的特點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)的元件簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)巧妙，效果很好，可見度高，易于學(xué)生操作，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，有利于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦的能力。本實(shí)驗(yàn)裝置造價(jià)低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于自制和仿制，比采用傳感器等復(fù)雜設(shè)備進(jìn)行演示探究的方法省錢。經(jīng)上千次實(shí)驗(yàn)證明該實(shí)驗(yàn)裝置效果良好，穩(wěn)定可靠，師生使用方便，能很好地探究出“感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈匝數(shù)成正比，與磁通量的變化率成正比”這一規(guī)律，不僅有利于教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，而且有利于學(xué)生分組進(jìn)行探究活動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳月江.法拉第電磁感應(yīng)定律的定量探究[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2010（11）：14-15.

[2]王志斌，余金龍，盧定山，等.研究實(shí)驗(yàn)裝置定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律[J].物理儀器與實(shí)驗(yàn)，2011，27（7）：34-36.

[3]鄭劉德.法拉第電磁感應(yīng)定律定量演示實(shí)驗(yàn)的研制[J].物理教師，2016，37（4）：23-25.

（欄目編輯 王柏廬）