利用DIS探究法拉第電磁感應定律

陳曉平

(浙江省海寧中學，浙江 嘉興 314400)

1 問題的提出

法拉第電磁感應定律是研究電磁感應的基礎，是電磁學部分的核心內容。人教版的教材上只是陳述德國物理學家紐曼和韋伯對理論和實驗資料進行嚴格分析后，得出了法拉第電磁感應定律，教材中也沒有相關實驗的介紹。筆者認為教材對這么重要的一節內容做這樣的處理是欠妥當的。法拉第電磁感應定律作為一個實驗定律，必須要通過實驗探究獲得結論才能使學生信服，才符合學生的認知規律。

2 用DIS突破傳統實驗的難點

利用傳統實驗器材，產生的感應電動勢和感應電流都不夠大，很難用電表測量，獲得精確數值。而且產生的感應電流一直在變化，用傳統電表測量，無法使指針停留在一個確定的數值，所以對實驗探究帶來了較大的困擾。

利用DIS實驗的電壓傳感器和微電流傳感器，可以測量微小的感應電動勢和感應電流，并且可以讓感應電動勢和感應電流隨時間變化的信息用圖像顯示在電腦屏幕上，可以看到電壓和電流隨時間變化的精確信息，為法拉第電磁感應定律的探究提供了良好的條件。

3 定性探究

為了快速且準確地獲得實驗結論，可以通過倍增法來進行探究。如成倍改變線圈匝數n、成倍改變線圈的面積S等，再結合控制變量法來探究，獲得實驗結論。

4 探究實驗設計

4.1 探究E與n的關系

把匝數分別為100、150、200的線圈繞在PVC管上，三個電壓傳感器分別接在三個線圈上，讓一個強磁鐵從管道上端釋放，磁鐵穿過線圈時產生的感應電動勢如圖1所示。由圖1可知，感應電動勢的比值與匝數的比值吻合，由此可說明，在磁通量變化率一定的前提下，感應電動勢E與線圈匝數n成正比，即E∝n。

圖1

圖2

4.2 探究E與Δt的關系

保證線圈匝數n、線圈面積S、磁感應強度變化ΔB相同，探究E與Δt的關系。在距離透明PVC管上端分別為h1=10cm、h2=40cm、h3=90cm處放置3個相同尺寸的300匝線圈，讓強磁鐵從管道上端做自由落體運動。根據運動規律v2=2gh可知，磁鐵經過三個線圈時的速度之比為1∶2∶3，則磁鐵穿過三個線圈的平均時間之比為6∶3∶2。

三個電壓傳感器分別接在三個線圈上，磁鐵從上端靜止釋放后，磁鐵經過三個線圈，獲得的感應電動勢圖像如圖2所示，根據實驗數據可知，感應電動勢峰值之比E1∶E2∶E3=1∶2∶3，根據比例關系可知，感應電動勢E與時間Δt成反比，即E∝1/Δt。

4.3 探究E與B的關系

保持線圈匝數n、線圈面積S、時間Δt不變，探究E與B的關系。要實現磁場的倍增，難度較大。如果用疊加磁鐵的方法，不能保證兩個磁鐵的磁感應強度是相同的，而且疊加后也不能保證成兩倍關系。

改用通電螺線管來產生磁場，使流過通電螺線管電流的比值為1∶2，產生的磁場的比值就是1∶2。用軟彈簧掛住螺線管，在螺線管下方放置一個線圈，線圈兩端連接一個微電流傳感器。往下拉螺線管，放手后讓螺線管上下做簡諧運動，控制螺線管通電的電流之比為1∶2，在線圈中產生感應電流，感應電流圖線如圖3所示。由圖3可知，感應電流的峰值之比為1∶2，則感應電動勢之比也為1∶2，由此可知，感應電動勢E與磁感應強度B成正比，即E∝B。

圖3

4.4 探究E與S的關系

保持線圈匝數n、磁感應強度B、時間Δt不變，探究感應電動勢E與有效面積S的關系。如果線圈面積之比為1∶2，則線圈的電阻不同，對實驗結果會產生影響。把兩個完全相同的線圈捆在一起，并將其中的一個沿中線折90°，使有效面積之比為1∶2，實驗裝置如圖4所示，這樣的線圈電阻也相同，根據測得的感應電流的比值，來判斷感應電動勢與面積的關系。

圖4

圖5

讓磁鐵在線圈中部位置靠近線圈，在兩個線圈中產生感應電流，電流圖像如圖5所示。由圖5可知，兩個線圈中產生的感應電流之比為1∶2，則感應電動勢E與有效面積S成正比，即E∝S。

5 結語

通過DIS實驗探究法拉第電磁感應定律，符合學生的認知規律，同時也提高了學生科學探究和科學思維能力，養成學生的科學態度。