定性驗證法拉第電磁感應定律

【摘要】法拉第電磁感應定律在2019版物理新教材選擇性必修第二冊中學習，教材中原文這樣闡述：“德國物理學家紐曼、韋伯在對理論和實驗資料進行嚴格分析后，于1845年和1846年先后指出：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.因法拉第對電磁感應現象研究的巨大貢獻，后人稱之為法拉第電磁感應定律”.高二學生的抽象思維、邏輯思維已經發展到較高水平，思維的批判性、質疑性也達到較高水準，法拉第電磁感應定律是否真實，已經不能一筆帶過，如何驗證是放在高中教師面前的一個問題.本文參詳各類書籍和論文，通過更加貼切實際、貼近生活的器材，定性驗證法拉第電磁感應定律.

【關鍵詞】電磁感應定律；高中物理；實驗教學

一言以蔽之，只給出表達式，沒有提供驗證實驗，這樣的處理方便了教學，然而并不能滿足高中生對于物理科學的好奇心、探究科學真理的欲望，如果教師能帶領學生自行創造實驗器材，定量驗證法拉第電磁感應定律，無疑會給學生在探究物理科學的道路上開啟一扇窗戶，同時也能解決學生在課堂上“百思不得其解”的尷尬局面.以下是筆者帶領學生利用暑假時間，共同學習、探究的創新實驗.

1 知識儲備分析

學生已經通過前期學習對電磁感應實驗的相關概念有了充分認識，也能夠理解磁通量變化率中所涉及的物理量的實際意義，在第三節的教學中，學生已經通過楞次定律學會判斷感應電流的方向，教材通過多組實驗進行了驗證，而法拉第電磁感應定律是對感應電動勢大小的判斷，反倒缺乏實驗驗證，教學時學生感到非常困惑.

2 動手能力分析

上節課學生已經驗證過楞次定律，對磁鐵的磁場、線圈的繞向、感應電動勢的測量已經有充分的了解，也對磁鐵相對線圈運動產生電磁感應現象的規律有了充分認識，然而對實驗的設計和對實驗數據的解釋尚需教師的引導.

3 設計思路

控制變量驗證法拉第電磁感應定律.

改變B：保持t，N，S不變，研究E與B的關系；

改變t：保持B，N，S不變，研究E與t的關系；

改變N：保持B，t，S不變，研究E與N的關系；

改變S：保持B，t，N不變，研究E與S的關系.

4 自制器材

（1）自制外徑為45mm繞有三個匝數分別為80，160，320匝線圈的有機玻璃管一根.

（2）繞有匝數均為100匝的線圈，外徑分別為35mm，145mm，150mm的有機玻璃管各一根.

（3）自制外徑為35mm繞有三個匝數為100匝線圈的有機玻璃管一根.

（4）長度為5cm的鐵柱一根，強磁鐵4片，棉線一根.

（5）朗威數字化軟件及其配套電壓傳感器三個，電腦一臺.

（6）手持電鉆一臺（220V交流電）.

（7）鋪有防撞棉的小水桶一個.

5 實驗過程

實驗1 探究E與B的關系

（1）將外徑為35mm繞有一個100匝線圈的有機玻璃管豎直夾在支架上，小塑料桶放在有機玻璃管正下方，實驗時，將線圈兩端漆包線（已經將外包的漆層刮掉）連接量程為2V的傳感器，實驗裝置如圖1所示.

（2）實驗時，先將吸附1片強磁鐵的小鐵柱從有機玻璃管口處靜止釋放，記錄數據.

（3）再將2片強磁鐵吸附在小鐵柱上，從有機玻璃管口處靜止釋放，記錄數據.

（4）最后將4片強磁鐵吸附在小鐵柱上，從有機玻璃管口處靜止釋放，記錄數據.

（5）用外徑為45mm，50mm各繞有100匝線圈的有機玻璃管重復上述實驗步驟，記錄實驗數據.多組實驗驗證實驗結果具有普適性.

實驗數據分析

（1）從圖2中可以看出：橫向比較，在實驗誤差允許范圍內，感應電動勢E與磁感應強度B成正比.

（2）從圖3中可以看出：縱向比較，在實驗誤差允許范圍內，感應電動勢E與螺線管橫截面積S關系：螺線管橫截面積S越大，感應電動勢E卻越小.原理為：螺線管橫截面積越大，穿過螺線管的實際磁感應強度越小.

實驗2 探究E與t的關系

（1）將外徑為35mm繞有三個匝數為100匝線圈的有機玻璃管豎直固定在支架上.將三個量程為2V的電壓傳感器依次連接到三個線圈上.如圖4、5所示：

（2）實驗時，先將1片強磁鐵吸附在小鐵柱上，從有機玻璃管口處靜止釋放，記錄數據.

（3）再將2片強磁鐵吸附在小鐵柱上，從有機玻璃管口處靜止釋放，記錄數據.

（4）最后將4片強磁鐵吸附在條形磁鐵上（如圖6），從有機玻璃管口處靜止釋放，記錄數據.多組實驗驗證實驗結果具有普適性.

實驗數據分析

從圖像中可以看到，多組實驗均可證明，磁鐵通過相同長度的螺線管，所用時間t越小，其感應電動勢越大.我們大膽推測：在保持N，S，B不變的情況下，E與t成反比.

實驗3 探究E與N的關系

（1）外徑為45mm繞有三個匝數分別為80，160，320匝線圈的有機玻璃管豎直夾在支架上，將三個電壓傳感器分別連接到螺線管上.

（2）將繞有十字扣的小鐵柱連接細棉線，棉線另一端栓接到手持電鉆鉆頭處，先將棉線全部繞在鉆頭上，實驗開始時，讓鉆頭反轉，使得小鐵柱勻速向下通過有機玻璃管，保證通過各個螺線管的時間相等.

（3）依次在小鐵柱上加1片、2片、4片強磁鐵，重復實驗步驟2，記錄三組實驗數據，多組實驗驗證實驗結果具有普適性，如圖7、8所示.

實驗數據分析保持B，t，S不變，改變線圈匝數N，多次實驗結果表明：感應電動勢E與N之間呈現明顯的線性關系，線性關系并不等同于正比關系，E與N的具體比例關系還需進一步驗證.

6 實驗反思

實驗反思1：本實驗成功地定性驗證法拉第電磁感應定律.

實驗反思2：通過本實驗的設計，器材選購與制作，實驗過程中克服種種困難，整個師生團隊都收獲頗豐，感受到科學的嚴謹性與科學家探究科學的艱辛與困苦.同時也培養了學生的創新思維與創造能力，鍛煉了動手能力，增強了團隊意識.

7 實驗改進

實驗改進1 驗證法拉第電磁感應定律實驗 ，如何準確地抓取實驗數據是擺在實驗員面前的難題，數字電壓表讀數難以捕捉瞬間讀數，也無法同時讀出三組實驗數據，優化方案為采用微電壓傳感器，采用圖像法捕捉數據，且可以同時采集多組數據，如圖9所示.

實驗改進2 本實驗要求磁感應強度盡量集中，原實驗使用大的條形磁鐵，磁場較為發散，磁感應強度也不夠大.改進實驗為小鐵柱型吸附力更強的磁鐵，如圖10所示.

優點表現為：磁場較為集中，磁體穿過螺線管時，容易保證磁感應強度的恒定變化，且可以保證磁感應強度B約成倍數增加.

實驗改進3 在探究實驗3時，預設的方案不能順利進行，原計劃是用電動機帶動載有條形磁鐵的小車水平勻速通過各個螺線管，在實際操作時，出現較為嚴重的卡頓現象，為了解決這個問題，采用豎直方向勻速上升的方案，順利解決本實驗出現的技術問題，圖11所示.

8 結語

物理是一門以實驗為基礎的自然科學學科，在物理課堂上，如何培養學生的創新思維和創造能力，是擺在物理教師面前的一個重要的亟待解決的問題.給學生創造做實驗的機會，讓學生親身經歷實驗的過程，發現問題，解決問題，在不斷地解決問題的過程中不斷成長，培養學生的創新思維和創造能力.

本實驗在人教版教材中并沒有給出實驗設計思路，在實驗前師生都是大膽設想，通過團隊的不斷設想、提問，最終確定分開驗證每個物理量的大膽想法，實驗探究過程中，團隊也有過不確定性和擔憂，但最終都能一一克服，最終的實驗效果也是較為理想，處在高中層次，能夠通過實驗驗證法拉第電磁感應定律，團隊成員都頗感欣慰.

參考文獻：

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