談談「探究法拉第電磁感應定律」的創新設計（3）

摘要：

本文介紹了實驗器材的創新設置和實驗理論上的獨到探究方法, 成功地將法拉第電磁感應定律的定性研究開發成定量探究, 彌補了中學物理實驗研究的空白.

關鍵詞：電磁感應定律;實驗裝置;定量探究;創新;

在高中階段, 法拉第電磁感應定律是實驗教學實施中「難啃的骨頭」, 難在不容易定量說明.教師往往從定性的角度演示一些較為簡單直觀的實驗, 如可以形象地說明匝數越多, 磁通量的變化越快, 產生的電動勢就會越大.因此, 如何精確地探究法拉第電磁感應定律成為高中物理教學迫切需要突破的瓶頸.

筆者經過若干次的設計、試驗、檢測和改進, 終於製作成一組簡單可行, 可以精確探究法拉第電磁感應定律的演示實驗裝置.

1 實驗教學目標

(1) 藉助自主設計的創新實驗裝置進行法拉第電磁感應定律

的定量研究.

①探究感應電動勢E與匝數n成正比;

②探究感應電動勢E與磁通量的 ΔΦ 成正比;

③探究感應電動勢E與磁通量變化的時間Δt成反比.

(2) 通過定量的實驗探究可以讓學生對法拉第電磁感應定律有更為深刻的理性認識.

2 實驗內容:探究法拉第電磁感應定律

實驗器材:自主設計的演示實驗裝置2套.

第1套:繞有不同匝數線圈的豎直透明管;柱狀強磁;電壓感測器 (圖1) .

圖1

第2套:傾斜透明管;扇形線圈a、b;柱狀強磁;電壓感測器 (圖2) .

圖2

3 實驗教學設計思路

演示實驗教學重點:探究感應電動勢與匝數成正比, 與磁通量的變化率成正比.

教學策略:控制變數法.

設計思路:

(1) 控制磁通量變化率相同, 探究感應電壓E與匝數n的關係.

在第1套裝置中將不同匝數的線圈固定在某一位置, 測出柱狀磁鐵在管中下落到該位置時的電壓, 可以比較得到感應電動勢與匝數成正比.

(2) 控制匝數n和變化時間 Δt相同, 探究感應電壓E與磁通量變化 ΔΦ 的關係.

第2套裝置中a、b線圈匝數相同, 面積不等.通過該實驗可以得到, 在相同的時間內可以得到感應電壓與磁通量的變化成正比.該實驗操作方便, 數據也比較精確, 突破了該部分的教學難點.

(3) 控制匝數n和磁通量的變化 ΔΦ 相同, 探究感應電壓E與時間 Δt的關係.

通過第1套裝置, 將相同匝數線圈固定在不同的位置, 從同一起點自由釋放磁鐵, 可以得到感應電動勢與時間成反比的結論.

4 實驗教學過程

(1) 探究電動勢與匝數成正比的實驗.

圖3

實驗材料:透明管, 柱形強磁鐵, 漆包線, DIS電壓感測器, 刻度尺.

原創設計:將漆包線繞在透明管上, 形成50 匝線圈, 100匝線圈, 200匝線圈.現將透明管豎直固定, n匝線圈套在距管口距離為h處, 線圈兩端接DIS電壓感測器, 如圖3.這個實驗裝置簡單, 操作方便, 實驗數據採集精確快捷.

實驗過程:現將圓柱形強磁鐵從管口自由釋放, 做自由落體運動的磁鐵經過線圈時, 藉助電壓感測器的測量得到了U-t圖線, 如圖4.分別測量50匝, 100匝, 200匝線圈距管口h=20cm處的正向最大電壓峰值, 記入表1.

圖4

表1

數據分析:磁鐵每一次從同一高度自由下落, 在線圈附近同等空間內經歷的時間總是相等的, 也就是說每一次經過線圈的磁通量的變化快慢總是相等的.從表格中的數據可以看出, 感應電動勢的最大值之比為0.28∶0.55∶1.11, 與線圈的匝數比1∶2∶4幾乎完全一致.

實驗結論:磁通量的變化率相同時, 電動勢與線圈匝數成正比, 即E∝n.

(2) 電動勢與磁通量變化成正比的研究.

原創設計:如圖2, a、b 2個獨立的扇形線圈, 匝數均為50匝, 面積之比1∶3, 並用明膠膠合在同一平面, 與透明管垂直安裝.

實驗過程:將該a、b扇形線圈垂直套在透明管上, 見裝置2介紹.讓圓柱形強磁鐵從一定的高處釋放, 磁鐵在管中自由下落通過線圈, 用DIS電壓感測器分別測出獲得的感應電動勢即線圈的輸出電壓U1和U2.實驗表明, 輸出電壓的最大值顯示出1∶3的關係.

改變經過磁鐵線圈的速度, 每次的結果都是1∶3的關係.

數據分析:由於圓柱形磁鐵周圍磁場具有高度的對稱性, a、b扇形線圈的設計也正是利用了這種對稱性的特點.當磁場穿過扇形線圈時, 相同時間內a、b扇形線圈中發生的磁通量的變化之比就精確表示為1∶3.

實驗結論:在相同的時間內電動勢與磁通量的變化成正比, 即E∝ΔΦ.

(3) 探究感應電動勢與時間成反比的實驗.

原創設計:我們取上述同樣的自製裝置, 線圈的匝數恆為n=200匝, 並控制線圈距管口有不同的精確距離h, 每次讓柱形強磁鐵從透明管口自由下落.通過電壓感測器採集了如表2中若干數據.

表2

實驗現象:在匝數n相同的情況下, 磁鐵自由下落的距離h越大, 線圈顯示出的瞬時電壓的最大值U也越大.

數據分析:我們嘗試使用U-h圖線初步觀察兩者的規律, 如圖5.顯然, 感應電動勢的最大值U與h不成正比例, 從圖線的走勢特點看, 我們作了圖線, 如圖6.發現

, 為過原點的直線.

圖5

圖6

如何從理論的層面作出合理的解釋呢?

「磁通量變化快慢」的解釋:若取線圈附近豎直方向的空間 Δy (較小) , 則線圈距離開始埠的長度無論多大, 磁鐵最強處 (即磁極) 經過這段「Δy的空間」必然發生同等量的磁通量的變化.磁極經過這段「Δy的空間」的時間 Δt可以近似處理為「

」, 此處v與 Δt成反比.在 Δy較小的情況下, v又可以表示為

圖線

即

.

結論:磁通量變化相同的條件下, 感應電動勢的大小E與時間 Δt成反比, 即

.

實驗總結:

.

5 原創設計的說明

說明1:器材的創新設計新穎獨特, 操作方便, 容易推廣.本組器材中透明管和柱形磁鐵易購買.線圈的繞制簡單, 可動性強, 在製作上充分利用了柱形磁鐵周圍磁場的對稱性特點, 體現了新型強磁在教學上的開拓應用.在操作上應用了自由落體特點而顯得簡潔方便, 測量上則藉助了DIS電壓感測器的精確性和快捷性.

說明2:將定性說明提升為定量探究, 提高了教學的可信度.通過自主設計和製作的本組實驗器材可以實現對法拉第電磁感應定律的精確探究, 創新地實現了實驗中的「變數控制」.學生獲得的是形象、客觀、精確可信的深刻體驗, 教學效果和教學品味得到質的提升.

說明3:該裝置的實驗功能可以進一步拓展.利用該實驗裝置, 還可以進一步開展一些拓展性的實驗探究, 如研究磁體以不同速度穿過線圈過程中, 線圈通過的電荷量為定值;磁體穿過線圈過程中的能量關係等.

說明4:該裝置的實驗誤差可以進一步減小.如繞制線圈更為精緻, 數據會更精確

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