幾種定量驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)的鑒析

唐建勛

(無錫市輔仁高級(jí)中學(xué),江蘇 無錫 214123)

人教版“法拉第電磁感應(yīng)定律”這一課時(shí)的教學(xué)安排中,法拉第電磁感應(yīng)定律作為實(shí)驗(yàn)結(jié)論是直接在教材中給出的,教材中沒有展示任何演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生實(shí)驗(yàn)．但是該定律可以通過簡(jiǎn)單的演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,教學(xué)上通常的設(shè)計(jì)是利用條形磁鐵、線圈和電流計(jì),將磁鐵置于線圈中插拔,通過改變插拔速度,觀察電流計(jì)示數(shù)的不同,從而得出磁通量變化越快,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大的結(jié)論.然而受制于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和手段,在課堂上只能對(duì)該定律進(jìn)行定性研究,無法實(shí)現(xiàn)定量驗(yàn)證．隨著近幾年來朗威DISLab系統(tǒng)的推廣應(yīng)用,使得傳統(tǒng)電磁類實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^傳感器進(jìn)行連續(xù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集,并通過計(jì)算機(jī)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和處理,使得以往只能在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中完成的實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谡n堂上演示．目前對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行定量驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)有若干種,本文筆者對(duì)比分析了下列各實(shí)驗(yàn)．

1 朗威法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)器Ⅰ

圖1

如圖1所示,底座A上安裝豎直軌道B和長(zhǎng)方形扁平磁鐵C(磁場(chǎng)水平指向);線圈D可在軌道中從不同高度自由下落,線圈通過導(dǎo)線E連接內(nèi)置在底座內(nèi)的朗威電壓傳感器F,以確保導(dǎo)線不會(huì)影響到線圈的順利下落;擋光片G固定在線圈上端;實(shí)驗(yàn)器底座上安裝有光電門H．電壓和光電門傳感器均接入同樣內(nèi)置在底座內(nèi)的實(shí)驗(yàn)器采集電路I,并通過USB接口J與計(jì)算機(jī)連接．

2 朗威法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)器Ⅱ

如圖2所示,底座A上安裝初級(jí)線圈B、次級(jí)線圈C和磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器D;線圈通過細(xì)導(dǎo)線E連接內(nèi)置在底座內(nèi)的電壓傳感器F;初級(jí)線圈由朗威智能電源G供電;實(shí)驗(yàn)器底座內(nèi)置實(shí)驗(yàn)器采集電路H,并通過USB接口連接計(jì)算機(jī)．

圖2

3 自由落體電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)

圖3

如圖3所示,將一根有機(jī)玻璃管豎直固定,在管身上標(biāo)定距離刻度．在管身上套有一定匝數(shù)的線圈,同時(shí)把線圈連接至電流傳感器,在計(jì)算機(jī)上顯示電流i隨時(shí)間t變化圖像．在玻璃管口從靜止釋放一強(qiáng)磁鐵,下落時(shí)穿過線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流,然后由電流傳感器將電流峰值記錄在DISLab軟件上,如圖4所示．

圖4

圖5

4 插拔條形磁鐵電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)

圖6

圖7

5 旋轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)實(shí)驗(yàn)(Ⅰ)

圖8

圖9

圖10

圖11

6 旋轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)實(shí)驗(yàn)(Ⅱ)

上述6種實(shí)驗(yàn)均能對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行嚴(yán)格的定量驗(yàn)證,這都?xì)w功于DISLab系統(tǒng)的電壓傳感器、電流傳感器對(duì)電壓、電流的實(shí)時(shí)記錄,以及求平均值和求圖像面積等特殊處理,突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理所無法在課堂實(shí)現(xiàn)的限制．但是盡管這些實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理手段都是源自于DISLab系統(tǒng),但是這6個(gè)實(shí)驗(yàn)卻各有不同,它們的設(shè)計(jì)思路呈現(xiàn)出各自的特色．

實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2是DISLab系統(tǒng)自帶的兩套整合化的實(shí)驗(yàn)裝置,而且其各自帶有專用分析軟件,其中實(shí)驗(yàn)1本質(zhì)是動(dòng)生電動(dòng)勢(shì),實(shí)驗(yàn)2本質(zhì)為感生電動(dòng)勢(shì),兩套裝置都將各種傳感器精巧地組合設(shè)計(jì)在一起,顯得緊湊精準(zhǔn),配合提供的專用軟件,是這6種實(shí)驗(yàn)中操作最簡(jiǎn)便快捷,數(shù)據(jù)最精確的．可也正是因?yàn)槠涓叨鹊恼吓c精巧的設(shè)計(jì),往往使學(xué)生在課堂上較為被動(dòng)地接受了這樣的實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)計(jì)思路,教師進(jìn)行演示時(shí)會(huì)為了追求實(shí)驗(yàn)原理的合理性、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得與處理的快捷性,而缺乏對(duì)學(xué)生的思維過程的引導(dǎo),所以學(xué)生雖然能較快地得到定量的結(jié)論,但給學(xué)生留白的空間太少,容易產(chǎn)生他們對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律的驗(yàn)證知其然而不知其所以然的情況．

實(shí)驗(yàn)5、實(shí)驗(yàn)6的設(shè)計(jì)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)3的速度定量更為精確且可控,誤差較小;相對(duì)于實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2的教學(xué)演示更為直觀清晰,可視性效果更好;相對(duì)于實(shí)驗(yàn)4的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路更為通俗簡(jiǎn)便,對(duì)學(xué)生的思維負(fù)擔(dān)小．但對(duì)實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備的條件來看,實(shí)驗(yàn)5和實(shí)驗(yàn)6是這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中要求最高的,也對(duì)教師動(dòng)手自制實(shí)驗(yàn)儀器的能力提出了較高的要求．