控制變量法定量探究“法拉第電磁感應(yīng)定律”實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新

伊蘭

摘 要：創(chuàng)新設(shè)計(jì)了物理實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)合DIS實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)控制變量法，能夠清楚且定量地展示法拉第電磁感應(yīng)定律中電動(dòng)勢(shì)與磁通量、磁通量變化的時(shí)間以及線圈匝數(shù)的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)原理清晰易懂。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要學(xué)生的積極參與和配合，能夠很好地鍛煉他們的合作交流以及動(dòng)手能力。

關(guān)鍵字：法拉第電磁感應(yīng)定律;定量探究DIS

“法拉第電磁感應(yīng)定律”是人教版物理選修3-2第四章第4節(jié)的內(nèi)容，這一章節(jié)的內(nèi)容是高中階段教學(xué)的重點(diǎn)，但是課本中并沒有設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律，而是通過(guò)上一節(jié)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象定性地推導(dǎo)出法拉第電磁感應(yīng)定律的表達(dá)式，不利于學(xué)生的理解和接受，筆者創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)控制變量法，能夠定量地得出法拉第的電磁感應(yīng)定律的具體表達(dá)式，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，學(xué)生容易接受，同時(shí)發(fā)展了學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

一、實(shí)驗(yàn)裝置

將可調(diào)頻的三角形鋸齒波交流電源（0～12V）與電阻箱（0～100Ω）、帶鐵芯的螺線管、電流傳感器串聯(lián)，副線圈為通電螺線管和電流傳感器的串聯(lián)電路，將副線圈的通電羅線圈靠近原線圈，最后將電磁流量計(jì)靠近原副線圈的軸心。

二、實(shí)驗(yàn)原理

變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，原線圈的電阻箱可調(diào)節(jié)電路的電流，從而變?cè)€圈磁通量的變化，原線圈的電流傳感器可在電腦上顯示每時(shí)每刻的電流大小和變化。電磁流量計(jì)可在電腦上顯示線圈中磁通量的大小及變化規(guī)律。副線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的測(cè)量可采取間接測(cè)量方式，可知，在副線圈電阻不變的情況下電流與電壓成正比，因此通過(guò)電流傳感器檢測(cè)出感應(yīng)電流的變化規(guī)律，則可知感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律。通過(guò)控制變量法，調(diào)節(jié)交流電源的頻率、調(diào)節(jié)電阻箱阻值的大小、改變副線圈的匝數(shù)n，通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)儀器，檢測(cè)數(shù)據(jù)的變化，觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)規(guī)律，得出結(jié)論。

三、探究法拉第電磁感應(yīng)定律

（1）控制n與不變，探究電動(dòng)勢(shì)E與的關(guān)系

將原線圈的滑動(dòng)變阻器阻值調(diào)到最大，閉合開關(guān)，通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)裝置可顯示原線圈電流隨時(shí)間變化的的i-t圖像，磁通量的變化規(guī)律圖像以及副線圈電流隨時(shí)間變化的i1-t圖像，如圖2所示。

從圖中可以看出，又，則。

調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻箱，改變?cè)€圈的電流大小，則也在變化，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中仍可以看到，則。

（2）控制n與不變，探究電動(dòng)勢(shì)E與的關(guān)系

調(diào)節(jié)電阻箱的阻值為某一定值，之后保持電阻箱的阻值不變。第一次調(diào)節(jié)電源的輸出頻率，觀察i1的峰值。第二次將電源的輸出頻率變?yōu)樵瓉?lái)的2倍，觀察i1的峰值。第三次再將電源的輸出頻率調(diào)為第一次的3倍，觀察i1的峰值。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難觀測(cè)到隨著頻率的成倍增加，i1的峰值也在成倍地增加，進(jìn)而得出，即，則。

（3）控制與不變，探究電動(dòng)勢(shì)E與n的關(guān)系

保持電源的輸出頻率不變，調(diào)節(jié)電阻箱的阻值為某一定值，副線圈使用100匝的線圈，閉合開關(guān)，觀察i1的峰值。一次更換副線圈的匝數(shù)為200匝、300匝，再次觀察i1的峰值，不難觀測(cè)到i1的峰值也成倍地增加，進(jìn)而得出，則。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究得出法拉第電磁感應(yīng)定律。

四、總結(jié)與評(píng)價(jià)

筆者設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路簡(jiǎn)單明了，實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，筆者采用了DIS實(shí)驗(yàn)裝置，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在電腦屏幕上，學(xué)生能夠清楚地看到圖像的變化，進(jìn)而進(jìn)行規(guī)律的總結(jié)，得出法拉第電磁感應(yīng)定律的具體表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生參與到演示實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程，充分體現(xiàn)了物理學(xué)科的核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·物理·選修3-2[M].北京：人民教育出版社，2016.

[2]藺立昌.對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)-巧用示波器探究多匝問(wèn)題[J].物理教學(xué)探討，2019，37（526）：50～51.