驗證法拉第電磁感應(yīng)定律的實驗分析

楊峻一

摘 要：作為電磁學(xué)最基本和重要的一條定律，法拉第電磁感應(yīng)定律跟變壓器、電感元件及多種發(fā)電機的運作有著密切關(guān)系。在學(xué)習(xí)這一章節(jié)知識時，法拉第電磁感應(yīng)定律是通過條形磁鐵插入和拔出閉合線圈瞬間的靈敏電流計測試值得出實驗結(jié)論。本文對驗證法拉第電磁感應(yīng)定律實驗進行分析，望能夠幫助更多的同學(xué)認(rèn)清這一知識。

關(guān)鍵詞：法拉第電磁感應(yīng)定律；驗證實驗；分析

中圖分類號：G633 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0205-01

在學(xué)習(xí)物理電磁學(xué)內(nèi)容時，繞不開的一個知識點就是法拉第電磁感應(yīng)定律，這也是高考中的一個必考內(nèi)容。在教科書中法拉第電磁感應(yīng)定律是通過實驗驗證得出的，但由于實驗驗證具有一定的復(fù)雜性，很多同學(xué)在實驗過程中易出現(xiàn)一些操作錯誤。為能夠進一步改進實驗，利用可拆交流演示變壓器對法拉第電磁感應(yīng)定律知識進行實驗驗證十分可行。

1 法拉第電磁感應(yīng)定律實驗概述

法拉第電磁感應(yīng)定律是物理電磁學(xué)中里程碑似標(biāo)志內(nèi)容，這一理論最早是在1831年由著名物理學(xué)家法拉第提出，因此將其定義為法拉第電磁感應(yīng)定律，但實際上得出E感=nΔΦ/Δt理論數(shù)據(jù)表達式的則是1845年和1846年由諾愛漫和韋伯通過理論分析總結(jié)得出。具體而言，在法拉第電磁感應(yīng)定律中揭示了感應(yīng)電動勢與閉合線圈磁通量變化率及線圈數(shù)之間的關(guān)系。在高中物理教科書中，實驗總結(jié)得出感應(yīng)電動勢產(chǎn)生條件后，就可以利用一個條形磁鐵，讓其在閉合的通電線圈之中進行插入和拔出，這個過程中串聯(lián)一個靈敏電流計，并通過靈敏電流計的指針擺動情況，從而得出“在一個閉合通電線圈之中，磁通量越大，線圈匝數(shù)越多，感應(yīng)電動勢越大”這一結(jié)論[1]。通過教材中的實驗過程可以發(fā)現(xiàn)，在教科書中省略了E感與n以及E感與ΔΦ/Δt關(guān)系的驗證分析，同時教材實驗采用的是手動插拔方式，并記錄的是靈敏電流表產(chǎn)生的一個瞬時值，整個實驗過程存在一定的弊端，因此實驗效果并不理想，這也影響同學(xué)對于知識的認(rèn)知理解。為幫助更多的同學(xué)認(rèn)清這一知識，可以利用可拆交流演示變壓器，經(jīng)過多次實驗操作，設(shè)計出下述法拉第電磁感應(yīng)定律實驗驗證方法。

2 驗證法拉第電磁感應(yīng)定律的實驗分析

2.1 實驗器材及實驗原理

在設(shè)計的法拉第電磁感應(yīng)定律驗證實驗中，使用的實驗器材為可拆交流演示變壓器1個、多用電能表2臺、低頻信號發(fā)生器1臺。而具體的實驗原理總結(jié)如下：利用可拆交流演示變壓器進行試驗操作，當(dāng)正弦交變電流通過原線圈時，在這個過程中可以控制原線圈中的電流有效值不變。這樣在i=Imsinωt時，就可以得出每一個時刻的ωt=（2n+1/4）π，并根據(jù)圓周角公式，進而得出ωt=（2n+3/4）π的半個圓周周期。在這個過程中可以控制鐵芯的磁通量不會發(fā)生變化，這樣也可以利用Δt=T/2與交變電流頻率f之間成反比例關(guān)系，進而得出ΔΦ/Δt與交變電流頻率f之間也具有反比的關(guān)系[2]。由此可以看出，在實驗中低頻信號發(fā)生器就是實驗中的電源，原線圈之中的電流有效值可以直接用多用電流表進行測量，然后利用I=0.707Im的關(guān)系，將電流進行固定，這樣就省去了以往實驗中峰值測量引發(fā)的不必要麻煩。此外通過改變原有線圈中的交變電流頻率f，就可以測出ΔΦ/Δt的具體數(shù)值。同時在兩個多用電表之中，電表1測出的是正弦交變電流有效值，而電表2測出則是線圈兩端的感應(yīng)電動勢有效值，這樣可以省去測量示波器電動勢峰值測試環(huán)節(jié)，因此此種實驗原理更為簡單一些。

2.2 實驗驗證過程

在驗證實驗中，實驗操作過程可以從定量研究E感與ΔΦ/Δt關(guān)系和定量研究E感與n的正比關(guān)系兩個方面進行分析。首先在定量研究E感與ΔΦ/Δt關(guān)系實驗過程中，可以將電流表調(diào)節(jié)到200mA，交流電壓調(diào)節(jié)至20V，實驗中控制原電圈中的交變電流有效值。通常情況下，交變電流為了方便計算分析可以設(shè)置為100mA，而線圈只固定也可以以100為基準(zhǔn)，將n1與n2分別設(shè)置為100和200。然后將低頻信號發(fā)生器中的交變輸出電流進行調(diào)整，并且將線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E感與f分別進行記錄，然后利用EXCEL表格將測出的多組數(shù)據(jù)繪制成表，如第一次測得E感=0.62、f=20，第二次測得E感=0.93、f=30，第三次測得E感=1.25、f=40，測量記錄十次左右[3]。通過上數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)電動勢E感與交變電流頻率f之間存在一種正比關(guān)系，在原線圈中的電流有效值保持不變的情況下，ΔΦ/Δt與交變電流頻率f之間則表示為反比關(guān)系，因此定量研究E感與ΔΦ/Δt關(guān)系，就可以得出這一結(jié)論，即E感與ΔΦ/Δt成反比。

其次在定量研究E感與n的正比關(guān)系的過程中，同樣可以將電流表調(diào)節(jié)到200mA，將交流電壓調(diào)節(jié)至20V，對原線圈中的交變電流有效值進行控制，可以將其設(shè)置為30mA，并將交變電流頻率f設(shè)置為100Hz，然后將原線圈數(shù)量以100匝為基準(zhǔn)進行實驗。實驗驗證過程中，可以通過改變原線圈數(shù)量，記錄不同n下，線圈兩端的感應(yīng)電動勢E感的變化，并將相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計成表格，記錄在EXCEL文件之中。如得出了這樣的數(shù)據(jù)，當(dāng)n為200時，感應(yīng)電動勢E感為0.66，當(dāng)n為400時，感應(yīng)電動勢E感為1.34，當(dāng)n為600時，感應(yīng)電動勢E感為1.98，經(jīng)過十組實驗數(shù)據(jù)對比，在允許范圍內(nèi)，得出感應(yīng)線圈匝數(shù)n與感應(yīng)電動勢E感之間，存在正比關(guān)系[4]。

2.3 實驗結(jié)論分析

通過本次實驗驗證，得出了這樣的實驗結(jié)論，通過定量研究E感與ΔΦ/Δt關(guān)系和定量研究E感與n的正比關(guān)系，發(fā)現(xiàn)E感與ΔΦ/Δt成反比，同時在允許范圍內(nèi)，感應(yīng)線圈匝數(shù)n與感應(yīng)電動勢E感之間，存在正比關(guān)系。因此在這一實驗之中，通過定量驗證方式及利用轉(zhuǎn)換方式，可以將感應(yīng)電動勢E感與變電流頻率f進行關(guān)系轉(zhuǎn)化，從而在改變交流電頻率的過程中，對法拉第電磁感應(yīng)定律做出了驗證，不僅得出了E感=nΔΦ/Δt得公式關(guān)系，同時還解決了測量感應(yīng)電動勢E感的困難。此外經(jīng)過總結(jié)，在應(yīng)用此種實驗方法進行法拉第電磁感應(yīng)定律定量驗證時，以下四個方面的問題需要注意。第一，在實驗過程中，t為T的一半，也就是T/2，這個時間值并不是磁通量變化產(chǎn)生的瞬時值，而是一個平均值，同時在實驗中每個測試周期的前半周期和后半周期之間的變化率其實是相差一個“-”號的，也就是一值為正，一值為負(fù)，但是兩個時間值的絕對值相等，這是在實驗中需要注意的地方。第二，在進行感應(yīng)電動勢E感與ΔΦ/Δt之間的定量關(guān)系研究時，在對原線圈中的交變電流頻進行改變時，測得的電流值也會發(fā)生一定的變化。為了能夠保證實驗的準(zhǔn)確性，在實驗過程中必須要對低頻信號發(fā)射器發(fā)射出的正弦波值振幅進行調(diào)整，將電流表中產(chǎn)生的電流值定義為I0。第三，在進行感應(yīng)電動勢E感與線圈數(shù)量n之間的比例關(guān)系研究時，要確保實驗過程中原線圈感應(yīng)電流值在一定范圍內(nèi)，同時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E感在36V以內(nèi)，不然易引發(fā)一些難以想象的安全隱患[4]。第四，在實驗中進行數(shù)據(jù)分析處理時，最好選擇有函數(shù)擬合的數(shù)據(jù)軟件進行分析，從而在一次性函數(shù)擬合的過程中，得出相關(guān)實驗結(jié)果，同時為了保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和客觀性，要選取十組左右的數(shù)據(jù)進行分析，這樣才能為實驗成功做出保障。

3 結(jié)語

在進行高中物理電磁學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)時，法拉第電磁感應(yīng)定律定量是一節(jié)重要的章節(jié)內(nèi)容，同時也是近些年高考的必備考點，但在教材實驗設(shè)計中，省略了E感與n以及E感與ΔΦ/Δt關(guān)系的驗證分析，這對物理知識認(rèn)知學(xué)習(xí)造成了一定的阻礙。通過多次研究實驗，發(fā)現(xiàn)利用可拆交流演示變壓器進行法拉第電磁感應(yīng)定律定量實驗效果更加突出，希望這能幫助到更多的同學(xué)。

參考文獻

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[3]王瀅.關(guān)于法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律實驗的改進[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016，（04）：97-98.

[4]李長林，高守貴.利用可拆交流演示變壓器驗證法拉第電磁感應(yīng)定律[J].物理實驗，2014，（09）：36-37.endprint