DIS探究法拉第電磁感應(yīng)定律的實驗教學(xué)

梁沛林

摘 要：法拉第電磁感應(yīng)定律是高中物理教學(xué)的難點，課堂上證明感應(yīng)電動勢跟磁通量變化率、線圈匝數(shù)成正比，在傳統(tǒng)實驗裝置中幾乎不可能實現(xiàn)。中學(xué)教學(xué)中往往是經(jīng)過簡單的定性分析后便給出電磁感應(yīng)定律。本文通過DIS實驗平臺定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律，并利用靈敏電流傳感器測量導(dǎo)線切割地磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流。

關(guān)鍵詞：DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）；物理實驗；電磁感應(yīng)定律

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）2-0046-4

1 教學(xué)過程

1.1 探究法拉第電磁感應(yīng)定律：E=N

1.1.1 探究影響感應(yīng)電動勢大小的因素

實驗形式：分組探究實驗。

實驗設(shè)備：可選擇匝數(shù)的線圈、兩根條形磁鐵、靈敏電流表。

操作指引：通過實驗桌上的器材連接電路，并想辦法獲得最大的感應(yīng)電流。

實驗反饋：因為初中已經(jīng)接觸過產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的實驗，所以學(xué)生很容易就能夠連接好電路。但是，對兩根條形磁鐵的應(yīng)用是難點，不少學(xué)生會把兩根條形磁鐵南北極對接放置，這樣實驗中就不能產(chǎn)生感應(yīng)電流。此處可以讓產(chǎn)生最大感應(yīng)電流的小組上臺演示，并說說自己的成功經(jīng)驗和結(jié)論。學(xué)生一般能夠說出匝數(shù)N、速度、磁通量變化量三個因素，然而此處需要和學(xué)生共同分析速度跟磁通量變化量之間是存在關(guān)聯(lián)的，可以合并為磁通量變化率。

1.1.2 探究電動勢與匝數(shù)、磁通量變化率的定量關(guān)系

（1）探究感應(yīng)電動勢E與匝數(shù)N的關(guān)系

實驗方法：控制變量法（保持磁鐵穿過線圈的速度和磁鐵條數(shù)不變，改變線圈的匝數(shù)）。

實驗設(shè)備：如圖1，包括鐵架臺，硬塑料管，匝數(shù)分別為400、800、1 200的三個線圈，相同的條形磁鐵2條，DIS實驗平臺（電壓傳感器）。

實驗原理和過程：把管道豎直固定，讓同一根條形磁鐵從相同高度自由下落，穿過匝數(shù)分別為400、800和1 200的線圈，通過DIS平臺檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。下落高度相同可以保證磁鐵穿過線圈時的速度相同，磁鐵條數(shù)相同保證磁鐵的磁場相同。圖2表示分別為400匝、800匝和1 200匝的線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢隨時間變化的圖像，其峰值與匝數(shù)的關(guān)系如表1所示。

實驗反饋：此實驗操作簡單，容易獲得感應(yīng)電動勢與線圈匝數(shù)成正比的結(jié)論。但是，由于實驗中傳感器有背景電流，干擾實驗的精確度。要減少實驗誤差，首先需要讓線圈緊套塑料管道，避免漏磁；其次要讓磁場盡量強一點，可以減少偶然誤差的影響。由于磁鐵經(jīng)過線圈的速度很快，而數(shù)據(jù)采集器的采樣頻率最大為1 kHZ，即每秒鐘采集1 000個數(shù)據(jù)。峰值附近的點有時候會有漏采現(xiàn)象，因此為了避免速度快造成漏采數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，可以采取多次測量求平均值的方法，同時下落高度也不宜太高。

（2）探究感應(yīng)電動勢E與磁通量變化率■的關(guān)系

①保持磁鐵穿過線圈的時間T以及線圈匝數(shù)N不變，改變磁鐵條數(shù)。

實驗原理與操作：磁通量變化率在實驗中可以分為兩部分來探討，首先是保持匝數(shù)N和穿過線圈的時間T不變（保證下落高度H相同，則穿過線圈的速度v就相同，穿過時間T就相同）。改變磁鐵的條數(shù)，一根磁鐵穿過線圈磁通量變化率設(shè)為，則兩根相同的磁鐵同時穿過線圈磁通量變化率即為，分析磁通量變化率與感應(yīng)電動勢的關(guān)系。圖3為一根磁鐵跟兩根磁鐵穿過線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢隨時間變化的對照圖，感應(yīng)電動勢峰值與磁通量變化率的關(guān)系如表2所示。

②保持磁鐵穿過線圈的磁通量變化Φ以及線圈匝數(shù)N不變，改變磁鐵穿過的時間。

實驗原理與操作：保持磁鐵2條的情況下讓磁鐵從不同高度開始下落，下落高度H滿足H1：H2：H3=1：4：9，根據(jù)自由落體速度公式，可以得到其到達(dá)線圈時的速度比為v1：v2：v3=1：2：3，由于穿過線圈的速度很快，可以忽略磁極穿過線圈過程中的速度變化，認(rèn)為磁極勻速穿過線圈，因此磁通量變化率之比為1：2：3。圖4分別為磁鐵從H、4H和9H高度下落并穿過線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢隨時間的變化，感應(yīng)電動勢E與磁通量變化率的關(guān)系如表3所示。

實驗反饋：在探究感應(yīng)電動勢與磁通量變化率成正比的過程中誤差會相對較大，除了因為信號采集器的取樣頻率不夠高之外還因為管道與磁鐵之間存在摩擦，所以當(dāng)下落高度增加到9H時，獲得的電動勢偏小。實驗時應(yīng)該可以注意管道豎直，磁鐵也必須豎直下落。

實驗結(jié)論：通過分別研究線圈匝數(shù)、磁鐵條數(shù)以及磁鐵通過線圈的速度與感應(yīng)電動勢的關(guān)系，能夠定量地獲得E∝N以及E∝的結(jié)論，結(jié)合兩個正比關(guān)系得：E∝N。當(dāng)電動勢取單位伏特（V），磁通量變化率取韋伯每秒（wb/s）時，有E=N。這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。

1.2 影響動生電動勢大小的因素

（1）推導(dǎo)動生電動勢公式E=BLv

構(gòu)建模型：長度為L的導(dǎo)體棒以速度v沿著水平方向勻速切割磁感線，磁感應(yīng)強度為B。

推導(dǎo)過程：

設(shè)導(dǎo)體棒運動時間為t，則導(dǎo)體棒運動的位移d=vt

導(dǎo)體棒與軌道圍成的線圈的磁通量變化為ΔΦ=BLvt

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律E=N

得E==BLv

（2）活動體驗：切割地磁場發(fā)電

實驗器材：長電線1根，DIS實驗平臺，微電流傳感器。

實驗過程：

①兩位學(xué)生東西方向站立，手持電線兩端同方向旋轉(zhuǎn)電線，讓電線切割地磁場，然后逐步加快旋轉(zhuǎn)速度，觀察感應(yīng)電流的變化。感應(yīng)電流的變化如圖5（1）所示。

隨著轉(zhuǎn)速增加，周期變得越來越小的同時峰值也越來越大?？梢姡瑒由妱觿莸拇笮「懈畲鸥芯€的導(dǎo)線速度正相關(guān)。

②兩位學(xué)生依然東西方向站立，勻速搖動繩子，同時逐步增大繩子長度，觀察感應(yīng)電流的變化。感應(yīng)電流的變化如圖5（2）所示。

隨著電線長度的增加，波的周期幾乎不變，但是波峰卻在逐步增大?？梢?，動生電動勢的大小跟切割磁感線的導(dǎo)線長度正相關(guān)。

③兩位學(xué)生勻速搖動繩子，并保持繩子長度不變，在搖動繩子的同時兩位學(xué)生圍繞兩人連線的中點緩慢地做圓周運動，觀察感應(yīng)電流的變化。感應(yīng)電流的變化如圖5（3）所示。

波形呈現(xiàn)紡錘體隨著兩位學(xué)生站立的角度變化，波峰也發(fā)生變化。可見，動生電動勢的大小還跟切割磁感線的速度方向有關(guān)。由于地磁場在深圳大概與南北方向平行，因此東西方向站立時導(dǎo)線運動速度方向跟地磁場垂直，產(chǎn)生的感應(yīng)電流最大。相反，南北方向站立時由于導(dǎo)線方向跟地磁方向平行，因此幾乎不能切割磁感線，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢很小。

2 教學(xué)反思

法拉第電磁感應(yīng)定律的教學(xué)過程應(yīng)用了DIS實驗平臺，與傳統(tǒng)實驗相比，該平臺的主要優(yōu)勢是能夠?qū)崟r測量并處理電流、電壓、力、位移、速度、光照度、壓強、溫度以及輻射強度等物理量[2]，這能大大地拓寬高中物理實驗對象，尤其在電、磁實驗方面優(yōu)勢就更加明顯。例如，探究變壓器原理、楞次定律、閉合電路歐姆定律以及探究地磁場等實驗中DIS實驗平臺有優(yōu)秀的表現(xiàn)。

DIS實驗平臺在教學(xué)中能夠起到很好的輔助作用，學(xué)生通過實時圖像能夠直觀地了解電磁感應(yīng)的電流方向，也能夠清晰地看到感應(yīng)電動勢跟線圈匝數(shù)成正比，跟磁通量變化率成正比，還能看到切割地磁場發(fā)電。這些直觀的圖像會像復(fù)印一樣印在他們的記憶里，遇到涉及電磁感應(yīng)現(xiàn)象的問題，就能夠跳過理論推導(dǎo)過程，直接通過實驗經(jīng)驗進(jìn)行簡單預(yù)判，這就是所謂的“物理直覺”的來源。學(xué)生需要大量的實驗才能建立起正確的物理直覺，而DIS實驗平臺是個很好的幫手。

然而，在本課的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)DIS實驗平臺的主要缺陷是取樣頻率不夠高造成數(shù)據(jù)漏采，從而引起實驗誤差。例如，探究感應(yīng)電動勢與匝數(shù)成正比可以把線圈放在電磁爐中“煮”來比較不同匝數(shù)的感應(yīng)電動勢大小，然而電磁爐的頻率只能達(dá)到5 000 Hz，要較好地繪制出感應(yīng)電動勢的曲線，采樣頻率要達(dá)到20 000 Hz以上，DIS實驗平臺在此是無能為力的。不過可以通過交流電壓表直接測量，只是在課堂教學(xué)中展示電壓表稍顯麻煩。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁瑩.基于數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）的高中物理實驗教學(xué)研究[D].南京：南京師范大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2012.

[2]白明俠， 鄭璐石. 基于DIS的物理實驗應(yīng)用初探[J]. 延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報， 2014（3）：130-131.

（欄目編輯 王柏廬）