驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)分析

楊峻一

摘 要：作為電磁學(xué)最基本和重要的一條定律，法拉第電磁感應(yīng)定律跟變壓器、電感元件及多種發(fā)電機(jī)的運(yùn)作有著密切關(guān)系。在學(xué)習(xí)這一章節(jié)知識(shí)時(shí)，法拉第電磁感應(yīng)定律是通過(guò)條形磁鐵插入和拔出閉合線圈瞬間的靈敏電流計(jì)測(cè)試值得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。本文對(duì)驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，望能夠幫助更多的同學(xué)認(rèn)清這一知識(shí)。

關(guān)鍵詞：法拉第電磁感應(yīng)定律；驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；分析

中圖分類(lèi)號(hào)：G633 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）21-0205-01

在學(xué)習(xí)物理電磁學(xué)內(nèi)容時(shí)，繞不開(kāi)的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)就是法拉第電磁感應(yīng)定律，這也是高考中的一個(gè)必考內(nèi)容。在教科書(shū)中法拉第電磁感應(yīng)定律是通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出的，但由于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有一定的復(fù)雜性，很多同學(xué)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中易出現(xiàn)一些操作錯(cuò)誤。為能夠進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，利用可拆交流演示變壓器對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證十分可行。

1 法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)概述

法拉第電磁感應(yīng)定律是物理電磁學(xué)中里程碑似標(biāo)志內(nèi)容，這一理論最早是在1831年由著名物理學(xué)家法拉第提出，因此將其定義為法拉第電磁感應(yīng)定律，但實(shí)際上得出E感=nΔΦ/Δt理論數(shù)據(jù)表達(dá)式的則是1845年和1846年由諾愛(ài)漫和韋伯通過(guò)理論分析總結(jié)得出。具體而言，在法拉第電磁感應(yīng)定律中揭示了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與閉合線圈磁通量變化率及線圈數(shù)之間的關(guān)系。在高中物理教科書(shū)中，實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生條件后，就可以利用一個(gè)條形磁鐵，讓其在閉合的通電線圈之中進(jìn)行插入和拔出，這個(gè)過(guò)程中串聯(lián)一個(gè)靈敏電流計(jì)，并通過(guò)靈敏電流計(jì)的指針擺動(dòng)情況，從而得出“在一個(gè)閉合通電線圈之中，磁通量越大，線圈匝數(shù)越多，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大”這一結(jié)論[1]。通過(guò)教材中的實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，在教科書(shū)中省略了E感與n以及E感與ΔΦ/Δt關(guān)系的驗(yàn)證分析，同時(shí)教材實(shí)驗(yàn)采用的是手動(dòng)插拔方式，并記錄的是靈敏電流表產(chǎn)生的一個(gè)瞬時(shí)值，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程存在一定的弊端，因此實(shí)驗(yàn)效果并不理想，這也影響同學(xué)對(duì)于知識(shí)的認(rèn)知理解。為幫助更多的同學(xué)認(rèn)清這一知識(shí)，可以利用可拆交流演示變壓器，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)操作，設(shè)計(jì)出下述法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。

2 驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)原理

在設(shè)計(jì)的法拉第電磁感應(yīng)定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，使用的實(shí)驗(yàn)器材為可拆交流演示變壓器1個(gè)、多用電能表2臺(tái)、低頻信號(hào)發(fā)生器1臺(tái)。而具體的實(shí)驗(yàn)原理總結(jié)如下：利用可拆交流演示變壓器進(jìn)行試驗(yàn)操作，當(dāng)正弦交變電流通過(guò)原線圈時(shí)，在這個(gè)過(guò)程中可以控制原線圈中的電流有效值不變。這樣在i=Imsinωt時(shí)，就可以得出每一個(gè)時(shí)刻的ωt=（2n+1/4）π，并根據(jù)圓周角公式，進(jìn)而得出ωt=（2n+3/4）π的半個(gè)圓周周期。在這個(gè)過(guò)程中可以控制鐵芯的磁通量不會(huì)發(fā)生變化，這樣也可以利用Δt=T/2與交變電流頻率f之間成反比例關(guān)系，進(jìn)而得出ΔΦ/Δt與交變電流頻率f之間也具有反比的關(guān)系[2]。由此可以看出，在實(shí)驗(yàn)中低頻信號(hào)發(fā)生器就是實(shí)驗(yàn)中的電源，原線圈之中的電流有效值可以直接用多用電流表進(jìn)行測(cè)量，然后利用I=0.707Im的關(guān)系，將電流進(jìn)行固定，這樣就省去了以往實(shí)驗(yàn)中峰值測(cè)量引發(fā)的不必要麻煩。此外通過(guò)改變?cè)芯€圈中的交變電流頻率f，就可以測(cè)出ΔΦ/Δt的具體數(shù)值。同時(shí)在兩個(gè)多用電表之中，電表1測(cè)出的是正弦交變電流有效值，而電表2測(cè)出則是線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值，這樣可以省去測(cè)量示波器電動(dòng)勢(shì)峰值測(cè)試環(huán)節(jié)，因此此種實(shí)驗(yàn)原理更為簡(jiǎn)單一些。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程

在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程可以從定量研究E感與ΔΦ/Δt關(guān)系和定量研究E感與n的正比關(guān)系兩個(gè)方面進(jìn)行分析。首先在定量研究E感與ΔΦ/Δt關(guān)系實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以將電流表調(diào)節(jié)到200mA，交流電壓調(diào)節(jié)至20V，實(shí)驗(yàn)中控制原電圈中的交變電流有效值。通常情況下，交變電流為了方便計(jì)算分析可以設(shè)置為100mA，而線圈只固定也可以以100為基準(zhǔn)，將n1與n2分別設(shè)置為100和200。然后將低頻信號(hào)發(fā)生器中的交變輸出電流進(jìn)行調(diào)整，并且將線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E感與f分別進(jìn)行記錄，然后利用EXCEL表格將測(cè)出的多組數(shù)據(jù)繪制成表，如第一次測(cè)得E感=0.62、f=20，第二次測(cè)得E感=0.93、f=30，第三次測(cè)得E感=1.25、f=40，測(cè)量記錄十次左右[3]。通過(guò)上數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E感與交變電流頻率f之間存在一種正比關(guān)系，在原線圈中的電流有效值保持不變的情況下，ΔΦ/Δt與交變電流頻率f之間則表示為反比關(guān)系，因此定量研究E感與ΔΦ/Δt關(guān)系，就可以得出這一結(jié)論，即E感與ΔΦ/Δt成反比。

其次在定量研究E感與n的正比關(guān)系的過(guò)程中，同樣可以將電流表調(diào)節(jié)到200mA，將交流電壓調(diào)節(jié)至20V，對(duì)原線圈中的交變電流有效值進(jìn)行控制，可以將其設(shè)置為30mA，并將交變電流頻率f設(shè)置為100Hz，然后將原線圈數(shù)量以100匝為基準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，可以通過(guò)改變?cè)€圈數(shù)量，記錄不同n下，線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E感的變化，并將相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)成表格，記錄在EXCEL文件之中。如得出了這樣的數(shù)據(jù)，當(dāng)n為200時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E感為0.66，當(dāng)n為400時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E感為1.34，當(dāng)n為600時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E感為1.98，經(jīng)過(guò)十組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，在允許范圍內(nèi)，得出感應(yīng)線圈匝數(shù)n與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E感之間，存在正比關(guān)系[4]。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出了這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，通過(guò)定量研究E感與ΔΦ/Δt關(guān)系和定量研究E感與n的正比關(guān)系，發(fā)現(xiàn)E感與ΔΦ/Δt成反比，同時(shí)在允許范圍內(nèi)，感應(yīng)線圈匝數(shù)n與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E感之間，存在正比關(guān)系。因此在這一實(shí)驗(yàn)之中，通過(guò)定量驗(yàn)證方式及利用轉(zhuǎn)換方式，可以將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E感與變電流頻率f進(jìn)行關(guān)系轉(zhuǎn)化，從而在改變交流電頻率的過(guò)程中，對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律做出了驗(yàn)證，不僅得出了E感=nΔΦ/Δt得公式關(guān)系，同時(shí)還解決了測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E感的困難。此外經(jīng)過(guò)總結(jié)，在應(yīng)用此種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行法拉第電磁感應(yīng)定律定量驗(yàn)證時(shí)，以下四個(gè)方面的問(wèn)題需要注意。第一，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，t為T(mén)的一半，也就是T/2，這個(gè)時(shí)間值并不是磁通量變化產(chǎn)生的瞬時(shí)值，而是一個(gè)平均值，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中每個(gè)測(cè)試周期的前半周期和后半周期之間的變化率其實(shí)是相差一個(gè)“-”號(hào)的，也就是一值為正，一值為負(fù)，但是兩個(gè)時(shí)間值的絕對(duì)值相等，這是在實(shí)驗(yàn)中需要注意的地方。第二，在進(jìn)行感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E感與ΔΦ/Δt之間的定量關(guān)系研究時(shí)，在對(duì)原線圈中的交變電流頻進(jìn)行改變時(shí)，測(cè)得的電流值也會(huì)發(fā)生一定的變化。為了能夠保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須要對(duì)低頻信號(hào)發(fā)射器發(fā)射出的正弦波值振幅進(jìn)行調(diào)整，將電流表中產(chǎn)生的電流值定義為I0。第三，在進(jìn)行感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E感與線圈數(shù)量n之間的比例關(guān)系研究時(shí)，要確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中原線圈感應(yīng)電流值在一定范圍內(nèi)，同時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E感在36V以內(nèi)，不然易引發(fā)一些難以想象的安全隱患[4]。第四，在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理時(shí)，最好選擇有函數(shù)擬合的數(shù)據(jù)軟件進(jìn)行分析，從而在一次性函數(shù)擬合的過(guò)程中，得出相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和客觀性，要選取十組左右的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這樣才能為實(shí)驗(yàn)成功做出保障。

3 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行高中物理電磁學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)時(shí)，法拉第電磁感應(yīng)定律定量是一節(jié)重要的章節(jié)內(nèi)容，同時(shí)也是近些年高考的必備考點(diǎn)，但在教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，省略了E感與n以及E感與ΔΦ/Δt關(guān)系的驗(yàn)證分析，這對(duì)物理知識(shí)認(rèn)知學(xué)習(xí)造成了一定的阻礙。通過(guò)多次研究實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)利用可拆交流演示變壓器進(jìn)行法拉第電磁感應(yīng)定律定量實(shí)驗(yàn)效果更加突出，希望這能幫助到更多的同學(xué)。

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