法拉第電磁感應定律探究實驗的創新研究

陳 燕

(蘇州大學附屬蘇州第十中學，江蘇 蘇州 215006)

1 引言

“法拉第電磁感應定律”是高中物理教學的重、難點內容.教材中多采用定性實驗.筆者創新設計了能夠定量探究法拉第電磁感應定律的實驗，引導學生體驗科學探究的過程，感受科學探究的精神.

2 創新研究

2.1 實驗策略(圖1)

圖1

2.2 實驗過程

人教版2019年新教材選擇性必修第2冊的第2章第2節“法拉第電磁感應定律”中問題“穿過閉合導體回路的磁通量發生變化，閉合回路中就有感應電流.感應電流的大小跟哪些因素有關呢”，由定性的實驗得出感應電流的大小與磁通量的變化率有關.

教材中的“做一做”實驗，實驗裝置如圖2所示，線圈的兩端與電壓表相連.強磁體從長玻璃管上端由靜止下落，穿過線圈.分別使線圈距離上管口20 cm、30 cm、40 cm和50 cm，記錄電壓表的示數以及發生的現象.

圖2 探究感應電動勢實驗裝置圖

分別改變線圈的匝數、磁體的強度，重復上面的實驗，得出定性的結論.

2.2.1 實驗裝置需改進處

(1) 玻璃管沒有固定，不穩定，做實驗時不方便操作.

(2) 改變線圈與上管口距離,操作時麻煩.

(3) 感應電動勢用電壓表測量可視度差，指針偏轉的示數左右晃動.

(4) 只能定性探究，得出定性的結論.

2.2.2 創新改造設計(圖3)

圖3 探究感應電動勢實驗自制裝置

(1) 將豎直有機玻璃管固定.

將一個豎直窄條形木板用螺絲固定在一長方形的木板底座上，做成一個T型架裝置[圖3(a)]，再用兩半圓形銅片，擰緊螺絲將豎直玻璃管[圖3(b)]固定在豎直木板上,玻璃管下端離開底座適當的高度.

(2) 繞制線圈并將線圈位置固定.

用絕緣細漆包銅線[圖3(c)]在玻璃管下端固定處繞制線圈.

(3) 自主選擇線圈的匝數.

從繞制的線圈中不同匝數處抽出細漆包銅導線連接到不同接線柱上[圖3(d)]，線圈一端連接在最左端黑接線柱上，另一端抽出的不同匝數的細漆包銅導線分別連接在右端不同的紅接線柱上，可以自主選擇線圈的匝數，操作方便.

(4) 改變相同強磁鐵[圖3(e)]的個數來改變磁體的強度.

改變相互吸引在一起的強磁鐵個數實現改變磁體的強度，操作簡單方便.

(5) 海綿緩沖裝置保護強磁鐵.

我們選擇合適厚度和彈性的海綿，將它固定在正對玻璃管下端的底座上[圖3(f)]，讓下落的強磁鐵能陷在海綿里不反彈，強磁鐵不會受損.

(6) 把線圈連接的電壓表改為數字示波器[圖3(g)].

普源示波器-DS1052E擁有高靈敏度和高便攜性,獨特的波形錄制和回放功能.通過實時采樣，可在示波器上觀察更快的信號.易于捕獲和分析波形,清晰的液晶顯示和數學運算功能，便于更快更清晰地觀察和分析信號問題.可以動態顯示、記錄感應電動勢隨時間變化圖線.

我們將所用儀器改進設計，自制如圖3的實驗裝置，簡潔大方、操作方便、便于攜帶，并將定性探究實驗變為定量探究實驗，探究更為嚴謹、精確.

第一個強磁鐵上端固定有小圓環，可以用細線系住，提住細線，可以從不同高度釋放強磁鐵，之后可以拉動細線，強磁鐵緩慢向上穿過線圈，不會在數字示波器上顯示感應電動勢的值，將強磁鐵提升到相應高度，方便操作.可以將不同個數的強磁鐵從長玻璃管上端不同高度由靜止下落穿過線圈，還可以改變線圈的匝數，用數字示波器動態顯示感應電動勢的大小和方向，將感應電動勢變化的圖線記錄下來，讀出感應電動勢的峰值.用近似的方法，取峰值的一半為感應電動勢的平均值.

用控制變量法研究感應電動勢(平均值)大小與磁鐵的強度、磁通量變化時間Δt(由強磁鐵距離線圈靜止下落的高度即磁鐵經過線圈時的運動速度決定)、線圈匝數的關系.重復上面的實驗，得出實驗結論.

2.2.3 實驗操作

(1) 探究感應電動勢大小與穿過線圈的磁通量變化快慢的關系.

① 探究感應電動勢E大小與相同時間內磁感應強度變化ΔB大小的關系.

在線圈橫截面積一定的情況下，磁感應強度正比于穿過線圈的磁通量，磁感應強度的變化率正比于磁通量的變化率.即在一定時間內，磁感應強度的變化反映了磁通量的變化.

線圈匝數為50匝不變；強磁鐵下落高度為0.8 m不變.

探究結果：改變相同強磁鐵的個數，依次取2個、3個、4個、5個、6個強磁鐵從0.8 m高度靜止釋放，通過同一匝數為50匝的線圈，分別得到如圖4示波器所示的從左往右對應的第2條、第3條、第1條、第5條、第4條電動勢的實驗圖線(一大格示數為50 mV)，對應如表1所示數據，描繪出如圖5所示的E-ΔB圖線，即E-ΔΦ的關系圖線.

表1 E大小與強磁鐵個數(相同時間內ΔB大小)的數據

圖4 示波器所示電動勢的圖線

圖5 平均感應電動勢E大小與強磁鐵個數關系圖線(E-ΔB圖線類似)

強磁鐵從同一高度下落，經過線圈的速度相同，即經過線圈的時間Δt相同.在實驗誤差允許范圍內，E大小與強磁鐵個數即相同時間內ΔB大小(穿過線圈磁通量的變化量ΔΦ)成正比.從實驗結果的圖線上可以看出，當磁鐵個數增加為5個、6個，感應電動勢的測量值偏小，誤差隨磁鐵個數增加而增大，原因是磁鐵個數增大較多，磁鐵穿過線圈的時間增大，即磁通量變化的時間Δt增大，所以感應電動勢的測量值偏小.

② 保持ΔB(ΔΦ)不變，探究感應電動勢大小與磁通量變化時間Δt的關系.

線圈匝數為50匝；強磁鐵個數為6個.即保持ΔB(ΔΦ)不變.

表2 感應電動勢E與v的數據

圖6 示波器所示電動勢的圖線

(2) 探究感應電動勢大小與線圈匝數的關系.

強磁鐵個數為6個；強磁鐵下落高度為0.2 m.

6個強磁鐵，從距離線圈0.2 m的高度由靜止下落，從繞制的線圈中不同匝數處連接到不同接線柱上，可以自主選擇線圈的匝數分別為50匝、100匝、150匝、200匝，分別得到對應如圖8示波器所示的從左往右數第4條、第1條、第3條、第2條的電動勢變化圖線(一大格示數為100 mV),讀出示數得到表3所示的E與匝數N的數據，用計算機畫出圖線，在實驗誤差允許的范圍，擬合得到E與N成正比關系，E與N的圖線為經過坐標原點的直線，如圖9所示.因為相同的6個強磁鐵，穿過線圈磁通量的變化量ΔΦ和變化所用的時間Δt都相同，即ΔΦ/Δt相同，不存在系統誤差.所以如圖9所示的E與N的圖線為經過坐標原點的直線，E與N成正比關系，實驗數據與實驗規律吻合很好.

表3 感應電動勢E與N的數據

圖8 示波器所示電動勢的圖線

圖9 E-N的圖線

2.3 實驗總結

3 總結

以上對教材中的“做一做”實驗的創新設計,能夠克服教材中原有實驗裝置的不足之處，定量探究法拉第電磁感應定律，為課本教學插上翅膀，提高了教學效果.源于教材，不拘泥于教材，自制實驗教具，從定性到定量進行科學探究，拓展創新，親身體驗探究過程，總結探究結果.

致謝：感謝房慶安老師的鼎力相助，在創新實驗設計、自制教具過程中給予指導和技術支持.