基于Phyphox程序的“電磁感應定律”定量探究實驗改進

伍科 張旺

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

電磁感應定律的實驗探究活動始終是中學物理實驗教學的難點，這種實驗探究活動在中學物理課堂上也難以開展．隨著數字化實驗技術的發展，運用電磁學傳感器能夠精確采集實驗數據，使法拉第電磁感應的定量實驗探究成為可能．有研究者提出，將實驗線圈置于亥姆霍茲線圈產生的勻強磁場中，通過手動調節勵磁電流旋鈕改變通入亥姆霍茲線圈的電流，引起內部磁場的變化，即可在實驗線圈中產生感應電動勢，但該方法很難獲得隨時間均勻變化的磁場[1]．也有研究者利用電機帶動磁鐵旋轉產生磁場變化，運用磁鐵轉速間接反映磁通量變化率[2]．該實驗雖然操作簡單，容易獲得實驗數據，但結構復雜，很難使學生理解間接反映磁通量變化率的實驗原理．

本文基于Phyphox程序和自制教具，設計搭建一套新型電磁感應定律實驗探究儀，采用常見的電學實驗器材和自制教具即可開展定量探究教學．

1 實驗原理與教具制作

探究法拉第電磁感應定律的實驗原理及運用Phyphox程序自制實驗探究教學儀器的設計方案如下．

1.1 實驗原理

1.2 實驗裝置及制作

為開展電磁感應定律的實驗探究教學，自行研制了一套實驗探究儀．該裝置由原線圈、副線圈、SG1641A型函數信號發生器、KJ9208B+型數字萬能表及智能手機等幾部分組成，如圖1所示．

圖1 實驗裝置示意圖

其中，原線圈和副線圈采取內外套筒式放置，銅絲規格為直徑0.49 mm聚酯漆包線．原線圈、副線圈和智能手機均固定在一塊長木板上，并將智能手機放在原線圈的內部中間位置．SG1641A型函數信號發生器和KJ9208B+型萬用表分別與原線圈和副線圈相連接．

值得注意的是，因通電線圈內部所產生的磁場會在其兩端存在非均勻的邊緣效應，只有中間一段區域內的磁場可近似視作勻強磁場，應選擇靠近原線圈的中心區域測量勻強磁場的數據．通電線圈長度L與其半徑R相比較，比值越大時，線圈內部的磁場均勻區域越大．以長度L是其半徑R的10倍為例，通電線圈內部沿著軸向的磁場，長度為6R范圍內的磁感應強度分布比較均勻[3]．本實驗裝置確定原線圈長度為23.5 cm，線圈半徑為3.8 cm，共473匝．用傳感器測量可知，原線圈內部具有勻強磁場特性的實際長度范圍約為14.5 cm，副線圈長度應小于該長度，因此將副線圈的長度設置為12 cm，直徑略大于原線圈，設置為8.6 cm．此外，副線圈采用雙層繞制共485匝，以增強實驗效果．

2 實驗過程與數據采集

運用SG1641A型函數信號發生器提供三角波交流電，輸入原線圈，進行電磁感應定律實驗．下面具體呈現利用Phyphox程序展開法拉第電磁感應定律定量實驗的操作步驟．

(1)搭建如上述圖1所示的實驗裝置，打開手機上的Phyphox程序，選擇測磁感應強度欄目，點擊顯示界面左上角功能區，選擇遠程控制功能，將出現在手機界面上的網址輸入到筆記本電腦瀏覽器上，以便在遠程端觀察和處理實驗數據．

(2)使信號發生器輸出三角波交流電，在筆記本電腦端Phyphox實驗界面上點擊開始測量，并將萬能表調至測交變電壓擋位．可以觀察到Phyphox實驗界面上的B-t圖像呈現三角波變化規律．測得1至2個三角波周期的B-t圖像，如圖2所示．

圖2 呈現三角波變化規律的B-t圖像

表1 原線圈中輸入三角波交流電實驗數據

圖3 E-線性擬合圖

3 總結

基于Phyphox程序和自制教具，改進了定量探究法拉第電磁感應定律的實驗方案，解決了現有實驗方案不能測得磁通量變化率的缺點，學生能夠經歷定量探究的過程，通過對實驗數據的分析得到結論，有效地幫助學生理解法拉第電磁感應定律．利用智能手機Phyphox程序開展定量探究法拉第電磁感應定律，能夠提高實驗的精確性和可操作性，易于推廣，同時也體現了信息技術手段與物理教學的融合．