法拉第電磁感應定律演示實驗的改進

李娜娜

摘要：法拉第電磁感應定律是電磁學的重要內容，也是中學物理教材的重要內容，人教版“法拉第電磁感應定律”是一節物理規律新授課，但教材中并沒有展開規律的探究過程。本文通過改進演示實驗裝置，利用小車拖動磁鐵運動，使線圈中產生感應電動勢，用靈敏電流計的偏轉格數表示感應電動勢的大小，從而實現對的定量研究。

關鍵詞：感應電動勢;磁通量的變化量

人教版教材選修3-2第四章“電磁感應”章節中“法拉第電磁感應定律”一節中，關于感應電動勢與磁通量變化的關系課本是這樣給出的：“紐曼、韋伯在對理論和實驗資料進行嚴格分析后，于1845年和1846年先后指出：閉合電路中感應電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比，后人稱之為法拉第電磁感應定律。”教材并沒有給出“成正比”這一量化結論的實驗研究過程。

在通常上課時，一般都會通過圖1的演示實驗得出：在向線圈中插入或者拔出條形磁鐵的實驗中，磁鐵的磁場越強、插入和拔出的速度越快，產生的感應電流就越大。但是使用頻率非常高的演示實驗也沒能反映出“成正比”的定量關系。那么有沒有一個定量實驗方案可以在課堂上演示并進行分組實驗呢？

1.實驗器材

一端帶有滑輪的木板（木板有刻度標志）、小車、鉤碼、砝碼、1根條形磁鐵、靈敏電流計、導線若干、線圈

2.實驗原理

線圈與靈敏電流計組成回路，回路中磁通量變化就會產生感應電流。小車帶動磁鐵運動，每次實驗中，小車經過同一個位置時，磁通量變化量相同。實驗裝置如圖2所示，線圈與靈敏電流計連接，用靈敏電流計的偏轉格數表示感應電動勢的大小，用小車運動的快慢表示將條形磁鐵從線度拔出的時間長短。小車由木板同一位置靜止開始加速，根據v2=2as，小車每次經過木板的相同位置時，磁通量變化相同，而此時如果能夠保證小車的加速度a1=4a2，則通過該位置的速度關系v2=2v1，對比此時靈敏電流計的偏轉格數，得出感應電動勢E與磁通量的變化率成正比，即。

3.實驗步驟

步驟1：將長木板不帶滑輪一端墊高，調節高度，使小車能在木板上做勻速直線運動。

步驟2：按照圖2安裝好實驗裝置。在小車上裝固定好條形磁鐵，保持小車、條形磁鐵和鉤碼總質量不變，用5g的鉤碼拉動小車，使小車由靠近線圈位置由靜止釋放，記錄小車通過木板刻度為40的位置時靈敏電流計的偏轉格數（如圖3）。

步驟3：保持小車、條形磁鐵和鉤碼總質量不變，分別用20g、45g鉤碼拉動小車，使小車由靠近線圈位置由靜止釋放，記錄每次小車通過木板刻度為40的位置時靈敏電流計的偏轉格數（如圖4、圖5）。

由圖可以看出，三次實驗中小車的加速度之比為1：2：3，三次靈敏電流計的偏轉格數約為2格、4格、6格，比值也為1：2：3，可以認為在實驗誤差允許范圍內，感應電動勢的大小E與磁通量的變化率成正比，即.

4.實驗特點

（1）實驗儀器簡單易得，都是實驗室中做常見的儀器，普通實驗室都可以找到所用的實驗器材。

（2）操作簡單，平衡摩擦力的實驗在牛頓第二定律中學生做過分組實驗，學生在實驗中能夠獲得合作的體驗和成功的體驗。

（3）實驗現象直觀明了，增加學生觀察興趣。

5.實驗問題

（1）實驗中保持小車、條形磁鐵和鉤碼總質量不變，通過鉤碼的重力計算磁鐵運動的快慢。這就要求實驗之前一定要做好平衡摩擦力，才能保證m兌a=mg。

（2）由于小車運動比較快，整個運動在1s左右，靈敏電流計的偏轉格數記錄容易出現誤差。

6.實驗總結

總的來說，利用這個裝置的定量實驗可以粗略的定量研究，實驗要求相對較低，適合在課堂上做演示實驗甚至開展分組實驗。當然，相對而言這種定量研究還是比較粗糙的，更加精確的定量研究可以利用示波器或者數字傳感器來演示。