法拉第電磁感應定律實驗創新設計研究

張承祖 房慶安

(1. 蘇州科技大學數理學院，江蘇 蘇州 215000；2. 蘇州第十中學，江蘇 蘇州 215000)

圖1 實驗裝置圖

1 裝置說明

(1) 101是教學用變頻電源，已經獲得國家實用新型專利，專利號：ZL 201420496643.5.它能提供頻率1 Hz-10 kHz、電壓0-25 V連續可調的交流變頻電壓，在此為振動臺102提供電源之用.教學用變頻電源之原理與制作可參閱文獻[2].

(2) 102是教學用振動臺,是一個振動源，振動臺詳細制作原理和方法，請參閱文獻[3].在此基礎上筆者又新增內置電流過載保護裝置，外置機械保護裝置，防止拆卸裝置時用力不當損壞振動臺.振動臺之振動軸的振動頻率和振幅(最大振幅±10 mm)由提供電源的頻率和電壓所決定的，在此為強磁鐵103提供振動源之用.

(3) 103是強磁鐵，為釹鐵硼永磁體，形狀為中心帶孔的圓柱體，安裝固定在振動臺的振動軸上，在此為方形線圈104提供磁場.

(4) 104是方形線圈，為學生實驗可拆變壓器之線圈，將之套在強磁鐵103上，匝數的多少直接影響產生感應電動勢的大小，在此為產生感應電動勢之用.

(5) 105是示波器，為普通模擬信號示波器(J2459)，在此為測量方形線圈104中所產生感應電動勢的大小和方向之用.使用時將示波器105調整為中心小圓亮點，Y軸輸入和接地分別與方形線圈104兩端相接.

2 工作原理

圖2 磁鐵振動圖像

圖3 感應電動勢E與時間t關系圖像

圖4 示波器中心亮點上下振動圖像

3 使用說明

如圖1連接好電路，學生示波器(J2459)和教學用變頻電源分別接通220V交流電源，打開示波器的開關，聚焦成一個小圓點于屏幕中心，垂直衰減旋鈕旋至1和Y增益旋鈕順時針旋到底(0.05 V/格)，學生示波器使用說明書里有詳細說明；教學變頻電源按ON開關，電源啟動，頻率選擇旋鈕旋至100 Hz擋，選擇適當的交流電壓和頻率進行實驗，通過采集數據進行處理和分析.詳見定量分析如表1、表2.

數據采集說明： ① 由于示波器水平掃描線上下偏移只有4格，因此感應電動勢的大小最大只能取±0.20 V(0.05V/格).② 為了讀數方便感應電動勢的大小取的是整數格.③ 振動臺之振動軸上下最大振幅±10 mm，因此強磁鐵的振幅受到限制.④ 由于強磁鐵相對較重，在選擇振動頻率時盡量選得低一點，否則振動慣性太大而影響實驗效果.

定量分析見表1、表2

表1 定量分析數據

表2 定量分析數據

圖5

圖6

在物理教學中，通過實驗能夠有效地解決教學中的疑點或難點，從而達到加深學生對基本概念和基本理論的理解.筆者經過多年的努力和創新，設計制作了這一款法拉第電磁感應定律實驗裝置.通過對教學變頻電源輸出電壓和輸出頻率的控制，就能有效地控制ΔФ和Δt的變化，直接讀出感應電動勢的大小，并能進行有效的定量分析.充分證明了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.