電磁感應(yīng)過程中電功和磁通量變化量的關(guān)系

摘 要：法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁感應(yīng)的核心內(nèi)容，是高中教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在電磁感應(yīng)定律的教學(xué)中，探究感應(yīng)電功大小與磁通量的關(guān)系是學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解法拉第電磁感應(yīng)定律的重要前提。在講解到相關(guān)概念和計(jì)算時(shí)，學(xué)生往往存在理解上的障礙，因此，要想學(xué)生能夠在課堂中將章節(jié)知識(shí)理解得更加深刻，必須通過更加直觀的實(shí)驗(yàn)方式來加以引導(dǎo)。而傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)大致只能簡單的得出：磁通量變化越快，感應(yīng)電功越大。可想而知，這樣的實(shí)驗(yàn)方式是不夠準(zhǔn)確的，得出的結(jié)論也比較籠統(tǒng)，不能很好的反映電功與磁通量變化的大小，在教學(xué)中教師需要對(duì)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行創(chuàng)新。本文就圍繞著“電磁感應(yīng)過程中電功和磁通量變化量的關(guān)系”展開了探討。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)原理；電功；磁通量

新課標(biāo)教材在“法拉第電磁感應(yīng)定律”的研究上還是使用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，即通過幾個(gè)定性的演示實(shí)驗(yàn)得到電磁感應(yīng)定律。但通過對(duì)教學(xué)的總結(jié)和反思，我們?cè)卺槍?duì)公式“E=kΔφ/Δt”的教學(xué)中有兩項(xiàng)突破，在實(shí)驗(yàn)過程中引入了DIS電壓傳感器，不僅能夠直接進(jìn)行定性演示，還能夠直接測量感應(yīng)電功的瞬時(shí)大小。可以說，這種實(shí)驗(yàn)方式在現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是十分受用的，能夠?qū)⒊橄蟮奈锢砉胶投x以更加直觀的方式展示出來，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，并且，用更加形象化的方式也能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其在學(xué)習(xí)中能夠更加積極主動(dòng)，始終保持積極探索的精神以及對(duì)知識(shí)的求知欲望。

一、 分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)常用方法

隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，在教學(xué)領(lǐng)域利用信息技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的現(xiàn)象已經(jīng)十分普遍，在進(jìn)行電磁感應(yīng)過程中電功和磁通量變化量的關(guān)系的教學(xué)時(shí)，也同樣運(yùn)用到了較為先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方式，即DIS技術(shù)。通過DIS的物理實(shí)驗(yàn)在探討電功與磁通量變化量之間的關(guān)系時(shí)往往是用控制變量法進(jìn)行的，控制其中某一個(gè)量為固定值，對(duì)一個(gè)變量進(jìn)行調(diào)整，觀察另一個(gè)變量的變化過程。通過此類實(shí)驗(yàn)基本能夠得出結(jié)論：感應(yīng)電功大小與穿過回路的磁通量變化率是有關(guān)的，再通過教材給予的精準(zhǔn)定量，得出法拉第電磁感應(yīng)定律。在教學(xué)中，教師就應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑓⒄站唧w的實(shí)驗(yàn)步驟，引導(dǎo)學(xué)生通過控制變量法選擇合理的實(shí)驗(yàn)器材，通過有效的方式完成任務(wù)探究。

二、 利用DIS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，DIS已經(jīng)是一種較為普遍的形式，在探究電磁感應(yīng)過程中電功和磁通量變化量的關(guān)系時(shí)也同樣可以運(yùn)用到此種實(shí)驗(yàn)方式。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象準(zhǔn)備好對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)器材，如朗威DISLab數(shù)據(jù)采集器、磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器、螺線管、滑動(dòng)變阻器、DISLab環(huán)形線圈、電流傳感器、微電流傳感器、導(dǎo)線、計(jì)算機(jī)、帶尺度的實(shí)驗(yàn)座架、學(xué)生電源等。然后就開始準(zhǔn)備開始進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)過程。

首先要描繪螺線管軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖，利用專用座架，確保螺線管軸心與磁傳感器探管是成重合狀態(tài)的，然后將磁感應(yīng)器接入到數(shù)據(jù)采集器中，大概需要先預(yù)熱4分鐘，打開教材通用軟件，接著馬上點(diǎn)擊傳感器調(diào)零，將傳感器探管前沿置于螺線管端口處。然后接通低壓穩(wěn)壓直流電源，調(diào)節(jié)正負(fù)極，使磁感器這時(shí)的讀數(shù)為正值，再點(diǎn)擊數(shù)據(jù)記錄，就能夠?qū)?dāng)前的磁感應(yīng)強(qiáng)度通過具體的數(shù)值記錄下來了。這時(shí)默認(rèn)的距離d應(yīng)當(dāng)為0。緊接著，為了能夠探討出在不同的距離磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，可以每次向前推動(dòng)0.5 cm，并記錄此時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，運(yùn)用多組數(shù)據(jù)，得出磁感應(yīng)強(qiáng)度與到螺線管端口距離變化的規(guī)律。從取得的數(shù)據(jù)中，我們可以看出：處在螺線管中心的強(qiáng)度是最強(qiáng)的，并且中心對(duì)稱處的強(qiáng)度是一致的。

接著就是探究感應(yīng)電功大小與磁通量變化之間的關(guān)系。這里我們可以設(shè)定磁場變化的快慢是一定的，可以改變螺線管內(nèi)部線圈平面與磁場的夾角，探究其與感應(yīng)電流之間的大小關(guān)系，接著再讓線圈平面與磁場處于垂直的狀態(tài)，探究感應(yīng)電流與磁感強(qiáng)度之間的關(guān)系。這里需要注意要將電流傳感器與數(shù)據(jù)采集器和實(shí)驗(yàn)線圈相連接，將線圈放入螺線管的中心附近位置，使其軸線與螺線管軸線是重合的狀態(tài)，并將磁感器接入到數(shù)據(jù)采集器的另一個(gè)端口，同樣需要預(yù)熱4分鐘左右，使其處于環(huán)形線圈的中心對(duì)稱位置。接著點(diǎn)擊通用軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄工作。然后再接入低壓正弦交流電，點(diǎn)擊傳感器調(diào)零，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，并由此畫出函數(shù)圖形，對(duì)其進(jìn)行區(qū)域求導(dǎo)，得出結(jié)論：感應(yīng)電功的大小與磁通量的變化率是成正比的。

三、 注意實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)通常是將一些難以控制的情況理想化的，但在實(shí)際操作中卻很難把控。比如在實(shí)驗(yàn)中采用到的方法是控制變量法，即通過研究時(shí)間與電功之間的關(guān)系，得出磁通量變化量相同時(shí)，感應(yīng)電功與磁通量變化率成反比。但是，在實(shí)際的操作環(huán)節(jié)，磁通量變化量是很難直接測量出來的，因此，與教材中的預(yù)定目標(biāo)是會(huì)存在一些誤差的，就得不出對(duì)應(yīng)的結(jié)論。因此，面對(duì)這些很難測量的數(shù)值，教師在教學(xué)中可以引導(dǎo)學(xué)生不必控制變量研究感應(yīng)電功、磁通量變化量、時(shí)間之間的關(guān)系，而是可以直接研究電功與磁通量變化率之間的關(guān)系就可以了，將以往探究式的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變成驗(yàn)證式的實(shí)驗(yàn)，解決實(shí)驗(yàn)中無法直接測量磁通量變化率的難題，通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)證的方式能夠證實(shí)感應(yīng)電功確實(shí)與瞬時(shí)速度成正比，即與磁通量成正比。學(xué)生通過這種實(shí)驗(yàn)方式，能夠?qū)⒊橄蟮闹R(shí)形象化，簡化繁瑣的理解過程，能夠根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)際情況以及認(rèn)知規(guī)律，對(duì)已有知識(shí)進(jìn)行遷移，完成知識(shí)的融合。對(duì)學(xué)生來說，能夠有效降低其學(xué)習(xí)的難度，使其在學(xué)習(xí)中能夠?qū)Υ苏鹿?jié)的知識(shí)點(diǎn)理解得更加深刻，使其在學(xué)習(xí)中能夠始終保持一個(gè)積極的探索態(tài)度，始終保持對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，從而大大的提升了課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

小結(jié)：總而言之，在探索電磁感應(yīng)過程中電功和磁通量變化量的關(guān)系時(shí)，可以采用更為科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方式，通過結(jié)合DIS技術(shù)使用控制變量的實(shí)驗(yàn)方式，能夠有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能夠使其對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解得更加深刻，從而大大提升物理實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，提升物理教學(xué)的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸承柱.研究“電功的大小與哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2016（4）.

[2] 吳迪男，吳祥志.法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀[J].物理實(shí)驗(yàn)，2009（10）.

作者簡介：夏天辰，江蘇省昆山市，昆山震川高級(jí)中學(xué)高三（5）。