自制教具定量探究法拉第電磁感應定律

宋培文 唐林 苛麗娟

摘? ?要：本實驗利用倍數(shù)法和控制變量法定量探究感應電動勢與磁通量變化量、時間的關(guān)系，得出法拉第電磁感應定律。

關(guān)鍵詞：法拉第電磁感應定律;定量探究;數(shù)字化實驗室

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）11-0058-3

法拉第電磁感應定律是中學物理的教學重點和難點。由于在實驗探究環(huán)節(jié)中，磁通量變化量的改變、對應的時間和電動勢測量比較困難，造成了實驗探究的困難。考慮到多方面的因素，教材編寫和課標要求都只停留在教師和學生通過定性探究和分析得出定量的結(jié)論[1]，實驗的結(jié)果和教學的內(nèi)容雖能讓學生明白，但很難深入學生的內(nèi)心，這也在一定程度上增加了教與學的難度。為了服務教學，提高課堂的說服力，降低教學難度，我們在參考其他老師對法拉第電磁感應定律的定量探究的基礎上，改進了實驗器材，使其既能定量探究，又制作簡單、操作方便、易于推廣。

1? ? 變量控制方法和測量原理[2-3]

1.1? ? 變量的控制

（1）通過電動機轉(zhuǎn)動速度的調(diào)節(jié)改變Δt

實驗中將磁鐵固定在可以自由轉(zhuǎn)動的橫桿上，橫桿在電動機的帶動下轉(zhuǎn)動，通過控制電動機的轉(zhuǎn)速改變時間。本設計可以重復測量和較方便地改變時間。

（2）通過倍數(shù)法改變Δφ

實驗中在橫桿上的一端連續(xù)并排放置三組圓形強磁鐵，每組兩枚，實驗時依次成倍地增加橫桿上磁鐵的個數(shù)，另外在橫桿的另一端對稱的位置上放置金屬片配重。本設計用倍數(shù)增加的方法解決了磁通量的改變問題。

1.2? ? 測量方案

用朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室DIS-lab7.2軟件和電壓傳感器進行測量，利用軟件的測量、求和和繪圖功能，測量電源電動勢的平均值，利用時間軸獲取發(fā)生電磁感應的時間，利用繪圖功能研究數(shù)據(jù)特征。

2? ? 法拉第電磁感應定律實驗方案介紹

2.1? ? 實驗器材的介紹

實驗器材規(guī)格（圖1）：（1）磁鐵：實驗采用的磁鐵為10 mm×2 mm的圓形強磁鐵;（2）配重：一枚一元的硬幣;（3）直流電動機：12 V無極變速直流電動機;（4）電源：7個干電池組成的電池組;（5）電壓傳感器：朗威多量程電壓傳感器（LW-E844），朗威數(shù)據(jù)采集器（LW-D801），朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室軟件DIS-lab7.2;（6）計算機;（7）線圈：大?。?5 mm×75 mm×9 mm，匝數(shù)：100匝，銅絲直徑：0.3 mm;（8）面板：500 mm×700 mm左右;（9）橫桿長度：600 mm左右。

2.2? ? 實驗器材的制作

（1）橫桿的制作：橫桿是由實驗室的直尺改造而成，制作時在中央位置打一個3 mm的小孔，便于固定在直流電動機上。然后，用10 mm的開孔器在尺子的一端依次開孔，開孔個數(shù)為3組6個，每一組小孔對稱，相鄰的兩組孔中心間距為13 mm。最后，在另一端與第二組對稱的位置開一個小孔，放置一枚硬幣配重。

（2）電動機的安裝：面板的中間位置打孔4 mm，讓直流電動機從背面穿過面板接在橫桿上，用熱熔膠將電動機固定在面板上。

（3）電源的安裝：用7節(jié)干電池組成的電池組供電，采用香蕉頭對應每一節(jié)電池的位置用于改變直流電動機的電壓。

（4）線圈的固定：用美工刀在面板上直流電動機的正下方對應3組磁鐵的位置開孔，磁鐵靜止放置時剛好全部落入線圈中，線圈置入孔中固定，預留接線柱連接傳感器。如圖2所示。

2.3? ? 實驗操作步驟

2.3.1? ? Δφ一定時，改變Δt，研究感應電動勢大小與Δt的關(guān)系

（1）連接電路：將電壓傳感器的測量端與線圈連接，然后將傳感器與朗威傳感器數(shù)據(jù)接收器通道1連接、計算機連接;

（2）設置軟件：打開朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室DIS-lab7.2軟件，選擇“通用軟件”—“計算表格”—添加數(shù)據(jù)“時間t”和“=1/t”，然后關(guān)閉。

（3）測量：選擇“電壓U1—時間t”，在橫桿上對稱地放置一組磁鐵，接通電源（兩節(jié)干電池），點擊“采集控制—開始”一段時間后點擊“采集控制—停止”結(jié)束采集數(shù)據(jù)→使用拖曳工具，將測量的數(shù)據(jù)部分拖曳到屏幕內(nèi);然后選擇“圖線控制”→“Y縮放”縮放到適當比例→使用區(qū)域選擇工具，選擇磁鐵進入線圈時電壓傳感器測量的數(shù)據(jù)，即上半部分的曲線（如圖3所示）→點擊“數(shù)據(jù)處理—其他處理—求平均值”求出平均值→點擊“記錄數(shù)據(jù)”記錄到表格中→從“X標尺”讀數(shù)時間并手動記錄在表格中。

（4）改變電動機的電源所接電池的節(jié)數(shù)以改變電壓，改變磁鐵的轉(zhuǎn)數(shù)（即改變磁鐵進入線圈的時間），重復步驟（3）的操作，得到多組數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)依次記錄在表格中（見表1），關(guān)閉直流電動機的電源。

（5）打開計算表格，依次輸入記錄的時間，然后點擊“組合圖線1”，以“電動勢（U1）”為y軸，“時間的倒數(shù)”為x軸，添加“電壓U1-時間的倒數(shù)”圖線（圖4），得到如圖5所示的圖像。

（6）分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

2.3.2? ? Δt一定時，改變Δφ，研究感應電動勢大小與Δt的關(guān)系

（7）保持電動機轉(zhuǎn)速不變，成倍增加磁鐵的個數(shù)，重復測量并記錄3組電動勢的大小，數(shù)據(jù)見表2。

（8）打開“計算表格”添加變量“磁通量的變化量”，用1、2、3分別表示三次測量的磁通量的倍數(shù)關(guān)系（見表2）。添加組合圖線，以“電動勢U1”為y軸、以“磁通量的變化量”為x軸建立坐標系，得到感應電動勢大小與磁通量的變化量的關(guān)系，如圖6所示。

（9）分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論。

3? ? 實驗設計的反思

3.1? ? 本實驗設計的優(yōu)點

（1）實驗原理簡單，操作方便。

（2）實驗能夠反復重現(xiàn)。

（3）時間可調(diào)、可控、可測。

（4）用倍數(shù)法巧妙地解決了磁通量難以測量的問題。

（5）利用傳感器和DIS系統(tǒng)測量、記錄和處理數(shù)據(jù)，彌補了傳統(tǒng)方法誤差大、耗時多的缺點，提高了課堂效率。

（6）實驗測得的是平均值，更符合規(guī)律的講解，同時時間非常短時，可以近似地認為是瞬時值，方便學生對平均電動勢和瞬時電動勢的理解。

3.2? ? 本實驗還可以改進的地方

（1）電動機可以改用步進電機和電子電路控制，使磁鐵圓周運動更加穩(wěn)定，減小線圈中產(chǎn)生感應電流時對磁鐵運動的影響。

（2）線圈的形狀可以用扇形骨架繞制成扇形線圈，增加實驗原理的準確。

（3）可以添加線圈抽頭，改變匝數(shù)，探究感應電動勢與匝數(shù)的關(guān)系。

（4）將磁鐵改為匝數(shù)較多的電磁鐵，并將電磁鐵固定，通過改變電磁鐵的電流改變磁場的強弱，從而改變磁通量的變化量;然后將線圈固定在橫桿上，通過金屬環(huán)引出接入到電壓傳感器測量，可以使操作更加方便。

參考文獻：

[1]陳熙謀，吳祖仁.物理選修3-2[M].北京：教育科學出版社，2012：8-12.

[2]李強.利用實驗系統(tǒng)研究法拉第電磁感應定律的實驗設計[J].物理教學，2013，35（7）：21-22.

[3]王志斌，余金龍，盧定山，等.研制實驗裝置定量探究法拉第電磁感應定律[J].教學儀器與實驗，2011（7）：34-36.

（欄目編輯? ? 羅琬華）