定量探究“法拉第電磁感應(yīng)定律”實驗的改進(jìn)

羅 慧

(浙江省衢州市紫港中學(xué),浙江 衢州 324200)

“法拉第電磁感應(yīng)定律”作為實驗定律人教版教材[1]中是通過定性分析電磁感應(yīng)的相關(guān)實驗,直接給出的,缺乏定量實驗．隨著教育技術(shù)的發(fā)展,和教師創(chuàng)新能力的提高,很多教師在探索定量探究實驗方法．[2-7]但由于實驗原理復(fù)雜,且數(shù)據(jù)的采集和顯示依賴DIS和計算機,這并不利于實驗方法在經(jīng)濟(jì)較落后的地區(qū)普及.筆者通過查閱文獻(xiàn),在教材定性實驗基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種法拉第電磁感應(yīng)定量實驗器材．

1 實驗原理與裝置

如圖1所示,將有機玻璃管穿過自制線圈,讓強磁鐵在有機玻璃管內(nèi)下落,穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,并在與線圈相連的自制感應(yīng)電動勢測量板中顯示．

圖1 整體效果圖

感應(yīng)電動勢測量板與線圈用塑料螺絲固定(如圖2),當(dāng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢時,對電容器充電,由于二極管的單向?qū)щ娦?電容器不能通過二極管放電,此時并聯(lián)在電容器兩端的4位數(shù)顯式電壓表可以測出電壓的最大值,即感應(yīng)電動勢的最大值,電路連接如圖3所示．

① 有機玻璃管 ② 線圈及固定螺絲 ③ 電容器復(fù)位開關(guān) ④ 數(shù)字電壓表電源開關(guān) ⑤ 三線4位數(shù)字電壓表

圖2 感應(yīng)電勢測量板

① 數(shù)字式電壓表 ② 干電池 ③ 二極管 ④ 電源開關(guān) ⑤ 電容器 ⑥ 線圈 ⑦ 塑料固定螺絲(固定線圈和電路板)

圖3 感應(yīng)電動勢電路板背面及電路圖

圖4 探究E與實驗圖

2 教具的參數(shù)和說明

實驗器材主要由強磁鐵,有機玻璃管,感應(yīng)電動勢測量板,線圈4個部分組成．

圖5 封裝在容器中的磁鐵

強磁鐵:采用直徑為20mm，長度為30mm的圓柱形強磁鐵,并封裝在自制的容器(如圖5)中,該容器的邊緣與有機玻璃管內(nèi)徑幾乎相等,使磁鐵每次從同一位置穿過磁鐵,保證實驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和準(zhǔn)確．實驗時只要手持棉繩,釋放磁鐵,就可往上拉回磁鐵進(jìn)行回收重復(fù)實驗．

有機玻璃管:外徑34mm，內(nèi)徑厚2mm，長度為1500mm,并在外表面粘貼透明刻度紙．調(diào)節(jié)線圈高度時,先將橡皮筋繞在有機玻璃管相應(yīng)高度上,再套上線圈依靠橡皮筋阻力較大固定線圈位置．

感應(yīng)電勢測量電路板:黑色亞克力板3mm厚,長210mm高30mm(與線圈高度等高),并按數(shù)字電壓表、開關(guān)大小開孔．將電解電容器(50V，11μF)、二極管(IN4001)、3節(jié)7號電池及電池盒(為數(shù)字電壓表供電),船型開關(guān)(型號KCD1電壓表電源開關(guān))、自復(fù)位開關(guān)(型號LA16-11M電容器放電)、數(shù)顯式電壓表(0.56寸4位三線)按上文電路連接組裝,粘貼或嵌入切割好的黑色亞克力板上．

線圈:工字線盤用透明亞克力板切割的圓環(huán)(內(nèi)徑40mm外徑80mm厚3mm)和有機玻璃管粘合而成(內(nèi)徑36mm外徑40mm長30mm)．用0.5的漆包線在線盤上繞制匝數(shù)為300匝、600匝的線圈各一只,900匝的線圈3只,并將繞制好的線圈與感應(yīng)電動勢測量板連接并用塑料螺母固定(避免鐵質(zhì)螺絲對磁鐵運動的影響)．

將上述器材裝配并放置在亞克力制作的支架上,打開電路板電源開關(guān)即可開始實驗．整套器材合計花費200元左右,具體見表1．

表1 材料價格清單

3 實驗的數(shù)據(jù)及分析

表2 線圈高度為90cm，探究E與N的關(guān)系

續(xù)表

圖6E與N的關(guān)系

表3 線圈匝數(shù)900匝，探究E與的關(guān)系

續(xù)表

4 教具的特點

本教具設(shè)計巧妙,與教材中用磁鐵穿過線圈的快慢來探究“影響感應(yīng)電動勢大小的因素”的實驗方案銜接,[1]結(jié)合落體運動實驗原理,學(xué)生一看就明白;數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,利用數(shù)顯電壓表可視性好,操作簡便;與動輒上萬的DIS實驗套件、計算機相比,造價低廉,結(jié)構(gòu)簡單,易于自制和仿制;該教具在浙江省實驗創(chuàng)新評比中獲一等獎．