直線型法拉第電磁感應(yīng)定律分析演示儀

周雅梅 代偉 黎源逍 尚菡

摘 要：針對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析儀器的不足，設(shè)計(jì)了直線型法拉第電磁感應(yīng)定律分析演示儀.該演示儀不但演示性好，可操作性強(qiáng)，學(xué)生理解起來容易，而且還可完成對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律的精確定量分析和探究，實(shí)驗(yàn)儀器新穎，測量精度高，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神有所幫助.

關(guān)鍵詞：直線型;電磁感應(yīng)定律;演示儀

文章編號(hào)：1008-4134（2019）17-0040中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

法拉第電磁感應(yīng)定律是中學(xué)物理電學(xué)部分中一個(gè)很重要的電學(xué)定律，為了幫助學(xué)生對(duì)該定律更好地理解，以往在教學(xué)過程中由于沒有專門的設(shè)備，許多教師為此都積極地設(shè)計(jì)和制作了一些演示法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)器材，但這些實(shí)驗(yàn)器材都或多或少存在一些問題：一是設(shè)計(jì)和制作的演示儀器演示效果差，使用效果不好;二是設(shè)計(jì)和制作的演示儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不便，實(shí)驗(yàn)成功率低.筆者設(shè)計(jì)的直線型法拉第電磁感應(yīng)定律分析演示儀克服了原有儀器的不足，形象而可靠地演示了法拉第電磁感應(yīng)定律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律E=n·ΔΦ/Δt中各量之間關(guān)系的精確定量探究分析.

1 現(xiàn)有儀器的不足

現(xiàn)有的法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析儀器定性的多、定量的少，或者是半定量粗略地研究法拉第電磁感應(yīng)定律[1].如專利號(hào)為201020197743.X的實(shí)用新型專利為了改變穿過線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度采取的做法是在一鐵棒上纏繞漆包線，通過改變線圈中的電流大小改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，通過改變鐵棒在豎直長直管中自由下落的高度改變磁場切割線圈的速度，通過抽頭來改變線圈的匝數(shù)，從而使線圈產(chǎn)生不同的感應(yīng)電動(dòng)勢，完成對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律的定量探究.這樣的設(shè)計(jì)存在的問題是由于管子的長度有限，鐵棒在豎直長直管中自由下落的時(shí)間很短，即使通過傳感器來進(jìn)行測量也只能測到一組數(shù)據(jù)，只能進(jìn)行單次測量而且測量精度不高.

2 直線型法拉第電磁感應(yīng)定律分析演示儀

針對(duì)現(xiàn)有的法拉第電磁感應(yīng)定律分析儀器的不足，新設(shè)計(jì)的定量分析儀器裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示.儀器有一水平底板，底板上水平放置一有機(jī)玻璃管，同時(shí)在底板上安裝定滑輪和直流調(diào)速電機(jī)以及電機(jī)控制元件，通過控制直流電機(jī)作自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng).在電機(jī)軸上纏繞一根細(xì)鋼絲去帶動(dòng)磁鐵盒在有機(jī)玻璃管中來回穿梭，讓閉合線圈去切割磁場.在有機(jī)玻璃管的外面固定三個(gè)帶抽頭的線圈，其中兩個(gè)為演示線圈，一個(gè)為測量線圈.測量線圈的抽頭與底板上的測量接線柱連接以便于與電壓傳感器連接進(jìn)而進(jìn)行定量分析.兩個(gè)演示線圈分別與反向并聯(lián)的兩組發(fā)光二極管連接，兩個(gè)演示線圈的匝數(shù)一個(gè)多一個(gè)少，實(shí)驗(yàn)中可以定性演示感應(yīng)電動(dòng)勢大小與線圈匝數(shù)多少的關(guān)系，演示磁鐵靠近和離開閉合線圈時(shí)二極管顏色和亮度的變化，演示線圈與發(fā)光二極管的接線如圖3所示.

實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)二極管的發(fā)光情況來定性分析法拉第電磁感應(yīng)定律并演示線圈切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的大小和方向.一個(gè)可以安放不同型號(hào)磁鐵的圓筒形磁鐵盒通過直流調(diào)速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)后可使磁鐵能在水平有機(jī)玻璃管中往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而反復(fù)切割線圈使線圈中產(chǎn)生交變感應(yīng)電動(dòng)勢，一個(gè)電壓傳感器與測量用電磁線圈的多個(gè)抽頭相連，通過電壓傳感器能測出多組數(shù)據(jù)，通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速可改變磁體切割線圈磁感應(yīng)線的速度，通過改變磁鐵盒中磁鐵的大小可改

變磁體切割線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過改變測量線圈的抽頭可改變線圈的匝數(shù)，通過以上技術(shù)措施可以借助本儀器定量探究測量線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與線圈匝數(shù)、磁通量的變化率的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可歸納得出法拉第電磁感應(yīng)定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式E=n·ΔΦ/Δt [2].電壓傳感器測得的數(shù)據(jù)接入計(jì)算機(jī)由電腦顯示感應(yīng)電動(dòng)勢隨時(shí)間變化的曲線，這樣使測量和分析數(shù)據(jù)都非常直觀.

3 演示感應(yīng)電動(dòng)勢的大小和方向

為了觀察磁場切割感應(yīng)線圈時(shí)感應(yīng)線圈中有感應(yīng)電動(dòng)勢的產(chǎn)生，并演示感應(yīng)電動(dòng)勢的大小和方向，采取的技術(shù)方案是將紅綠發(fā)光二極管反向并聯(lián)后再與感應(yīng)線圈串聯(lián)[3].當(dāng)磁鐵盒靠近線圈時(shí)紅光二極管發(fā)光，當(dāng)磁鐵盒離開線圈時(shí)綠光二極管發(fā)光，由此來演示感應(yīng)電動(dòng)勢的方向;改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，發(fā)光二極管的頻閃速度和亮度也跟著改變，由此來演示感應(yīng)電動(dòng)勢的大小變化規(guī)律.如果將電機(jī)反轉(zhuǎn)，觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與正轉(zhuǎn)剛好相反，若電機(jī)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)則紅、綠發(fā)光二極管就會(huì)不停地交替閃爍.通過觀察兩組二極管的發(fā)光情況可定性演示線圈切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的大小和方向.

4 法拉第電磁感應(yīng)定律的精確定量探究分析

4.1 定量探究感應(yīng)電動(dòng)勢E與時(shí)間Δt的關(guān)系

保持線圈匝數(shù)n和磁通量ΔΦ一定，改變電機(jī)電壓，通過調(diào)壓改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，使磁鐵切割線圈的Δt改變，用電壓傳感器讀出不同電機(jī)電壓所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢大小.實(shí)驗(yàn)中，n=2000匝，磁鐵盒中裝中號(hào)磁鐵，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，擬合直線如圖4所示.

由表1和圖4可以直觀地得出，當(dāng)n和ΔΦ一定時(shí)，E和1Δt成正比關(guān)系.

4.2 定量探究感應(yīng)電動(dòng)勢E與磁通量ΔΦ的關(guān)系

保持線圈匝數(shù)n和時(shí)間Δt（電機(jī)電壓）一定，實(shí)驗(yàn)中，n=2000匝，電機(jī)電壓為6V，磁鐵盒中分別裝入不同型號(hào)的磁鐵1個(gè)，線圈截面不變，通過改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B，從而改變磁通量ΔΦ，用電壓傳感器測出不同型號(hào)磁鐵所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢大小.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，擬合直線如圖5所示.

由表2和圖5可以直觀地得出，當(dāng)n和Δt一定時(shí)，E和B成正比，由ΔΦ=ΔB·S，即E和ΔΦ成正比.

4.3 定量探究感應(yīng)電動(dòng)勢E與線圈匝數(shù)n的關(guān)系

保持磁通量ΔΦ和時(shí)間Δt（電機(jī)電壓）一定，線圈截面不變，改變線圈匝數(shù)n，用電壓傳感器讀出不同線圈匝數(shù)所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢大小.實(shí)驗(yàn)中，磁鐵為中號(hào)，電機(jī)電壓為6V，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3所示，擬合直線如圖6所示.

由表3和圖6可以很直觀地得出，當(dāng)ΔΦ和Δt一定時(shí)，E和n成正比關(guān)系.

5 實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)點(diǎn)

（1）儀器結(jié)構(gòu)新穎，演示效果好，測量準(zhǔn)確，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新意識(shí)有幫助.

（2）磁鐵是從線圈中間穿過，能非常直觀地引導(dǎo)學(xué)生建立起閉合線圈切割磁場能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的物理情景.

（3）探究測量和演示過程中磁鐵在線圈中來回穿梭，線圈切割磁場呈周期性變化，所以線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也呈周期變化，兩組彩色發(fā)光二極管交替閃爍，既能吸引學(xué)生的注意力，又能激發(fā)學(xué)生的好奇心，能很好培養(yǎng)學(xué)生學(xué)物理的興趣.

（4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過電腦顯示，方便觀察測量和數(shù)據(jù)分析.

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭鐘樊，代偉，王丹等.法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析探究演示儀[J].物理實(shí)驗(yàn)，2017，37（05）：55-57.

[2] 王志斌，王琳，余金龍，盧定山.定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律裝置：中國，CN 201707818 U[P].2010.05.14.