法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析探究演示儀

彭鐘樊,代 偉，王 丹，鄒 勤，王玉涵

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院,四川 南充 637002)

法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析探究演示儀

彭鐘樊,代 偉，王 丹，鄒 勤，王玉涵

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院,四川 南充 637002)

針對(duì)傳統(tǒng)的法拉第電磁感應(yīng)定律演示裝置只能進(jìn)行定性或半定量分析的問題，設(shè)計(jì)了法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析探究演示儀，該實(shí)驗(yàn)裝置不但能更好的演示法拉第電磁感應(yīng)定律，而且還可完成定量分析和探究，演示效果好，定量分析精確度高，值得在中學(xué)物理教學(xué)中推廣.

法拉第電磁感應(yīng)；感應(yīng)電動(dòng)勢；磁通量

法拉第電磁感應(yīng)定律是中學(xué)物理電學(xué)部分中重要的電學(xué)定律，以往在教學(xué)過程中，由于沒有專門的設(shè)備，教師們往往只是對(duì)照課本的圖例進(jìn)行講解，由于沒有形象的演示，學(xué)生對(duì)于法拉第電磁感應(yīng)定律的印象不深刻，效果較差,即使有實(shí)驗(yàn)演示，也往往都是使用條形磁鐵、線圈和靈敏電流計(jì)按照教材中所示的方法來完成，只能粗略地進(jìn)行定性演示，無法證明電動(dòng)勢的大小與磁通量變化量和時(shí)間的比值及電磁感應(yīng)線圈的匝數(shù)成正比.新課改要求讓學(xué)生在自己定量探究的前提下自己得出法拉第電磁感應(yīng)定律，學(xué)會(huì)科學(xué)探究的方法，傳統(tǒng)的裝置無法滿足課改的要求.為了讓學(xué)生對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行精確的定量探究，筆者設(shè)計(jì)了法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析探究演示儀，該實(shí)驗(yàn)裝置不但能更好地演示法拉第電磁感應(yīng)定律，而且還可完成定量分析和探究.

1 實(shí)驗(yàn)原理

法拉第電磁感應(yīng)定律分析探究演示儀利用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,分別探究磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁鐵切割線圈的速度(電磁線圈切割磁感線的速度關(guān)系)和線圈的匝數(shù)與感應(yīng)電動(dòng)勢的關(guān)系.通過改變紐扣磁鐵的數(shù)量來改變切割電磁感應(yīng)線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度；通過調(diào)壓調(diào)速改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速可探究磁場切割電磁感應(yīng)線圈的速度變化時(shí)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢的變化；通過改變測量線圈的抽頭可探究線圈感應(yīng)電動(dòng)勢與匝數(shù)的關(guān)系.

2 法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析探究演示儀實(shí)驗(yàn)裝置

1.底座 2.立板 3.可調(diào)穩(wěn)壓直流電源 4.測量用電磁線圈 5.擋圈 6.調(diào)速電機(jī) 7.調(diào)壓開關(guān) 8.電源總開關(guān) 9.直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)開關(guān) 10.測量線圈抽頭接線柱 11.強(qiáng)力紐扣磁鐵 12.亞克力板 13.演示用電磁線圈 14.發(fā)光二極管 15.裝飾紙 16.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 17.顯示器圖1 儀器結(jié)構(gòu)圖

法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析探究演示儀裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示.儀器的底座上安裝豎直立板，立板上部中心位置安裝直流調(diào)速電機(jī)(型號(hào)為XD-3420,額定電壓選12 V，電機(jī)的調(diào)壓范圍為5～30 V，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速選3 000 r/min),在立板正面以電機(jī)軸為中心安裝4個(gè)電磁感應(yīng)線圈，上面3個(gè)線圈匝數(shù)均為1 000匝，最下方的線圈為測量線圈，有400,600,800,1 000匝的中間抽頭.在電機(jī)軸上固定一長條形的亞克力板，板的兩端各開3個(gè)圓孔，便于安放紐扣磁鐵.在每個(gè)演示線圈的外圓方向安裝1組如圖3所示的反向并聯(lián)的紅、綠2種顏色的發(fā)光二極管，用來演示感應(yīng)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢大小和方向的變化.測量線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢通過朗威電壓傳感器進(jìn)行測量，通過電腦數(shù)據(jù)處理軟件完成數(shù)據(jù)采集和測量任務(wù).

圖2 儀器實(shí)物圖 圖3 二極管接線圖

3 定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律

表與1/Δt關(guān)系的測量數(shù)據(jù)

圖與1/Δt關(guān)系圖

保持線圈的匝數(shù)、截面不變，當(dāng)N=400匝，電機(jī)電壓10 V時(shí)，改變磁鐵個(gè)數(shù)，探究磁通量ΔΦ變化時(shí)電磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢ε的變化規(guī)律.當(dāng)紐扣磁鐵個(gè)數(shù)i分別為1,2,3個(gè)時(shí),改變?chǔ)う禍y得的感應(yīng)電動(dòng)勢ε如表2所示.

表2 N=400匝，電機(jī)電壓10 V，改變磁鐵個(gè)數(shù)測得的ε

圖與ΔΦ關(guān)系

當(dāng)磁鐵個(gè)數(shù)為3個(gè)，線圈截面不變，電機(jī)電壓10 V，改變線圈匝數(shù)N，探究N與電磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢ε關(guān)系，當(dāng)線圈匝數(shù)為400,600,800,1 000匝時(shí)測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 紐扣磁鐵3個(gè)，電機(jī)電壓10 V，改變線圈匝數(shù)測得的ε

圖與N的關(guān)系圖

4 法拉第電磁感應(yīng)定律的演示

演示時(shí)為了觀察磁場切割感應(yīng)線圈時(shí)感應(yīng)線圈中有感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生，采取的技術(shù)方案是按圖3所示的線路將紅綠發(fā)光二極管反向并聯(lián)后再與演示感應(yīng)線圈串聯(lián)，當(dāng)磁鐵靠近線圈時(shí)紅光二極管發(fā)光，當(dāng)磁鐵離開線圈時(shí)綠光二極管發(fā)光，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，發(fā)光二極管的頻閃速度和亮度也隨著改變，如果將電機(jī)反轉(zhuǎn)，觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與正轉(zhuǎn)剛好相反.

5 儀器優(yōu)點(diǎn)

1)儀器結(jié)構(gòu)緊湊，既可以定量分析探究法拉第電磁感應(yīng)定律，又可演示法拉第電磁感應(yīng)定律，一物多用，節(jié)約資金.

2)探究測量和演示過程中磁鐵切割線圈速度Δt的改變通過改變電機(jī)的電壓即可實(shí)現(xiàn)，通過改變磁鐵的個(gè)數(shù)改變?chǔ)う?，可通過換接抽頭接線柱簡單完成感應(yīng)線圈匝數(shù)的改變，實(shí)驗(yàn)操作簡便.通過紅綠發(fā)光二極管的亮度變化就可明顯觀察到感應(yīng)電動(dòng)勢大小和方向改變.

3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和測量通過朗威電壓傳感器和計(jì)算機(jī)結(jié)合就能將所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存在電腦中，既可以觀察感應(yīng)電動(dòng)勢的波形又方便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理.

[1] 趙亞兵，張濤.利用變壓器演示電磁感應(yīng)定律[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2014，31(3):29-30.

[2] 唐挈.“ε=Δφ/Δt”的定量教學(xué)與研究[J].物理通報(bào),2002(2):27-28.

[3] 韓仁隆.電磁感應(yīng)(系列)演示器的自制和應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2010,27(2):43-45.

[4] 楊保河.法拉第電磁感應(yīng)定律演示儀研究[J].許昌師專學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,20(5):25-27.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Demonstrator for quantitative analysis of Faraday law of induction

PENG Zhong-fan, DAI Wei, WANG Dan, ZOU Qin, WANG Yu-han

(College of Physical and Spacial Science， China West Normal University, Nanchong 637002, China)

Traditional demonstrator of Faraday law of induction could provide qualitative and semi-quantitative analysis only, so a quantitative analysis demonstrator of Faraday law of induction was designed.By changing the rotate speed of electrical motor, the relation of the change rate of flux and the speed of the coil was explored.By changing the number of magnet, the relation of the change rate of flux and magnetic field strength was explored.By changing the taps of the coil, the change of the magnetic induction was explored when changing the number of coils.

Faraday law of induction; magnetic field strength; magnetic induction

2016-12-29

四川省研究生教育改革創(chuàng)新項(xiàng)目(川學(xué)位[2013]15號(hào))

彭鐘樊(1995-)，女，四川蓬安人，西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院學(xué)科教育(物理)2017級(jí)碩士研究生，研究方向?yàn)閷W(xué)科教育研究．

代 偉(1964-)，男，四川遂寧人，西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院教授，學(xué)士，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究．

G633.7

A

1005-4642(2017)05-0055-03