定量探究“法拉第電磁感應(yīng)定律”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

羅 慧

(浙江省衢州市紫港中學(xué),浙江 衢州 324200)

“法拉第電磁感應(yīng)定律”作為實(shí)驗(yàn)定律人教版教材[1]中是通過(guò)定性分析電磁感應(yīng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn),直接給出的,缺乏定量實(shí)驗(yàn)．隨著教育技術(shù)的發(fā)展,和教師創(chuàng)新能力的提高,很多教師在探索定量探究實(shí)驗(yàn)方法．[2-7]但由于實(shí)驗(yàn)原理復(fù)雜,且數(shù)據(jù)的采集和顯示依賴(lài)DIS和計(jì)算機(jī),這并不利于實(shí)驗(yàn)方法在經(jīng)濟(jì)較落后的地區(qū)普及.筆者通過(guò)查閱文獻(xiàn),在教材定性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種法拉第電磁感應(yīng)定量實(shí)驗(yàn)器材．

1 實(shí)驗(yàn)原理與裝置

如圖1所示,將有機(jī)玻璃管穿過(guò)自制線圈,讓強(qiáng)磁鐵在有機(jī)玻璃管內(nèi)下落,穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),并在與線圈相連的自制感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量板中顯示．

圖1 整體效果圖

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量板與線圈用塑料螺絲固定(如圖2),當(dāng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí),對(duì)電容器充電,由于二極管的單向?qū)щ娦?電容器不能通過(guò)二極管放電,此時(shí)并聯(lián)在電容器兩端的4位數(shù)顯式電壓表可以測(cè)出電壓的最大值,即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值,電路連接如圖3所示．

① 有機(jī)玻璃管 ② 線圈及固定螺絲 ③ 電容器復(fù)位開(kāi)關(guān) ④ 數(shù)字電壓表電源開(kāi)關(guān) ⑤ 三線4位數(shù)字電壓表

圖2 感應(yīng)電勢(shì)測(cè)量板

① 數(shù)字式電壓表 ② 干電池 ③ 二極管 ④ 電源開(kāi)關(guān) ⑤ 電容器 ⑥ 線圈 ⑦ 塑料固定螺絲(固定線圈和電路板)

圖3 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電路板背面及電路圖

圖4 探究E與實(shí)驗(yàn)圖

2 教具的參數(shù)和說(shuō)明

實(shí)驗(yàn)器材主要由強(qiáng)磁鐵,有機(jī)玻璃管,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量板,線圈4個(gè)部分組成．

圖5 封裝在容器中的磁鐵

強(qiáng)磁鐵:采用直徑為20mm，長(zhǎng)度為30mm的圓柱形強(qiáng)磁鐵,并封裝在自制的容器(如圖5)中,該容器的邊緣與有機(jī)玻璃管內(nèi)徑幾乎相等,使磁鐵每次從同一位置穿過(guò)磁鐵,保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和準(zhǔn)確．實(shí)驗(yàn)時(shí)只要手持棉繩,釋放磁鐵,就可往上拉回磁鐵進(jìn)行回收重復(fù)實(shí)驗(yàn)．

有機(jī)玻璃管:外徑34mm，內(nèi)徑厚2mm，長(zhǎng)度為1500mm,并在外表面粘貼透明刻度紙．調(diào)節(jié)線圈高度時(shí),先將橡皮筋繞在有機(jī)玻璃管相應(yīng)高度上,再套上線圈依靠橡皮筋阻力較大固定線圈位置．

感應(yīng)電勢(shì)測(cè)量電路板:黑色亞克力板3mm厚,長(zhǎng)210mm高30mm(與線圈高度等高),并按數(shù)字電壓表、開(kāi)關(guān)大小開(kāi)孔．將電解電容器(50V，11μF)、二極管(IN4001)、3節(jié)7號(hào)電池及電池盒(為數(shù)字電壓表供電),船型開(kāi)關(guān)(型號(hào)KCD1電壓表電源開(kāi)關(guān))、自復(fù)位開(kāi)關(guān)(型號(hào)LA16-11M電容器放電)、數(shù)顯式電壓表(0.56寸4位三線)按上文電路連接組裝,粘貼或嵌入切割好的黑色亞克力板上．

線圈:工字線盤(pán)用透明亞克力板切割的圓環(huán)(內(nèi)徑40mm外徑80mm厚3mm)和有機(jī)玻璃管粘合而成(內(nèi)徑36mm外徑40mm長(zhǎng)30mm)．用0.5的漆包線在線盤(pán)上繞制匝數(shù)為300匝、600匝的線圈各一只,900匝的線圈3只,并將繞制好的線圈與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量板連接并用塑料螺母固定(避免鐵質(zhì)螺絲對(duì)磁鐵運(yùn)動(dòng)的影響)．

將上述器材裝配并放置在亞克力制作的支架上,打開(kāi)電路板電源開(kāi)關(guān)即可開(kāi)始實(shí)驗(yàn)．整套器材合計(jì)花費(fèi)200元左右,具體見(jiàn)表1．

表1 材料價(jià)格清單

3 實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)及分析

表2 線圈高度為90cm，探究E與N的關(guān)系

續(xù)表

圖6E與N的關(guān)系

表3 線圈匝數(shù)900匝，探究E與的關(guān)系

續(xù)表

4 教具的特點(diǎn)

本教具設(shè)計(jì)巧妙,與教材中用磁鐵穿過(guò)線圈的快慢來(lái)探究“影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的因素”的實(shí)驗(yàn)方案銜接,[1]結(jié)合落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)原理,學(xué)生一看就明白;數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,利用數(shù)顯電壓表可視性好,操作簡(jiǎn)便;與動(dòng)輒上萬(wàn)的DIS實(shí)驗(yàn)套件、計(jì)算機(jī)相比,造價(jià)低廉,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于自制和仿制;該教具在浙江省實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新評(píng)比中獲一等獎(jiǎng)．