張洪明

(寧波市北侖區(qū)明港高級中學(xué) 浙江 寧波 315800)

1 問題提出

電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是根據(jù)圖1所示的3個實驗，經(jīng)過分析得出結(jié)論：只要穿過閉合導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化，閉合導(dǎo)體回路中就有感應(yīng)電流．

圖1

對于高中學(xué)生來說，這樣的結(jié)論是建立在可靠的實驗基礎(chǔ)上，而且在教學(xué)過程中，也一定會做這3個實驗來探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件．從實驗到理論，符合認(rèn)知規(guī)律，符合高中生的認(rèn)知特點．而對于產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的條件人教版《物理·選修3-2》第4節(jié)“法拉第電磁感應(yīng)定律”的原文如下：“穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化，其中就有感應(yīng)電流．既然有感應(yīng)電流，電路中就一定有感應(yīng)電動勢．如果電路沒有閉合，這時雖然沒有感應(yīng)電流，電動勢依然存在．”學(xué)生會產(chǎn)生這樣的疑問：為什么電路沒有閉合依然有感應(yīng)電動勢？用什么可以證明感應(yīng)電動勢的存在呢？

2 實驗探究產(chǎn)生感應(yīng)電動勢條件

下面我們用3種方法來研究這個問題.

方法1：直接把斷開電路與電壓表相連接來證明存在感應(yīng)電動勢.

分析：這種方法從理論上來講和產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件相同，是不可行的．原因如下：圖2中(a)、(b)兩幅圖形成電流原因相同,都是電路閉合和有電動勢．而電流表和電壓表都是由靈敏電流計改裝而成,此時如圖3所示.用電壓表來直接檢驗是否存在感應(yīng)電動勢時，當(dāng)電壓表接入以后就已經(jīng)形成了閉合回路，此方法不可行．

圖2

圖3

方法2：用陰極射線管兩側(cè)加上平行板電容器來探究是否存在感應(yīng)電動勢.

分析：將電源和電容器如圖4連接，此電路是斷開的，只要電源有電動勢，平行板之間就會電場.也就是說，只要存在感應(yīng)電壓，在內(nèi)部就會有感應(yīng)電場．如果把平行板電容器加到陰極射線管上下兩側(cè)，就在空間形成電場，使電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電路結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示.在陰極射線管內(nèi)部就帶有平行板電容器，如圖5(b)所示.當(dāng)在線圈兩端直接接在上下的接線柱上，當(dāng)線圈內(nèi)形成感應(yīng)電動勢時，在射線管內(nèi)的上下極板上就會有感應(yīng)電動勢，如果存在感應(yīng)電動勢,陰極射線就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，顯示出斷開電路磁通量變化也會有感應(yīng)電動勢．實際按照圖5(c)連接電路，打開高壓感應(yīng)圈，發(fā)現(xiàn)電子束沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)．是什么原因造成實驗失敗呢？實驗所用的線圈為1 600匝，磁體為目前中學(xué)實驗室所能提供的最強(qiáng)的釹鐵硼磁鐵5塊串聯(lián)所組成，陰極射線正常發(fā)射沒有偏轉(zhuǎn)，分析造成實驗失敗的原因可能有以下幾點.

(1)斷開電路磁通量變化有感應(yīng)電動勢，結(jié)論是否正確．書上結(jié)論一般情況都是正確的可以排除這個可能．

(2)可能是感應(yīng)電動勢太小看不出明顯偏轉(zhuǎn)(有這個可能性).

(3)可能是產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢變化太快由于視覺暫留效應(yīng)無法觀察出偏轉(zhuǎn)(有這個可能性)．

存在的可能性有很多，哪種可能性最大呢？其中感應(yīng)電動勢太小看不出明顯偏轉(zhuǎn)可能性最大．實驗測量產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大約為多少伏，連接電路成如圖6(a)所示，通過萬用表來測量感應(yīng)電動勢的大?。畬⑷f用表轉(zhuǎn)到交流12 V，實驗過程手動抽出和插入磁鐵產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大值約為1.4 V,實驗結(jié)果如圖6(b)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的最大值太小了．那么，多大的電動勢才能產(chǎn)生明顯的偏轉(zhuǎn)呢？

圖4

圖5

圖6

理論分析：用刻度尺測量出偏轉(zhuǎn)電極之間距如圖7所示,約d=0.5 cm,L1=6 cm,L2=1.5 cm,L3=10.5 cm，L4=22 cm(L4為陰極與陽極的距離)電子從左端設(shè)初速度為零,整個加速電壓約11 kV,設(shè)電子質(zhì)量為m,電荷量為e, 加速度到L1過程中加速度電壓為U1=3 kV.

圖7

由動能定理得

在L2距離內(nèi)為偏轉(zhuǎn)，加速度電壓為U2=0.25 kV，設(shè)豎直偏轉(zhuǎn)電壓為U，如圖8.則水平方向勻加速直線，有

豎直方向為勻加速直線,有

vx=v0+axt

圖8

在L3運動過程中，水平方向勻加速直線運動，有

豎直方向勻速直線運動，有

y2=vyt1+y1

解得

v0=2.6×107m/s

t=1.25×10-10s

vx=2.7×107m/s

vy=2.2×104Um/s

t1=1.27×10-9s

y1=2.8×10-7Um

綜合以上數(shù)據(jù)得出

y2=2.83×10-5Um

其中U為感應(yīng)電動勢，讓電子偏轉(zhuǎn)距離為1 cm此時電壓約為353 V.也就是說要想看到明顯的偏轉(zhuǎn)效果必須得到幾百伏的感應(yīng)電動勢，那么怎么才能獲得這么高的感應(yīng)電動勢呢？

(1)提高線圈匝數(shù)，目前教學(xué)可拆變壓器用的線圈最高1 600匝(要想再提高只能自己手動來繞制).

(2)提高ΔΦ=Φ2-Φ1，線圈面積不變只能改變磁場強(qiáng)度.

1)使用永磁鐵，一般高中實驗室用的是釹鐵硼材質(zhì)，直徑2 cm，高度1 cm，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2 T，疊加5塊最多1 T, 提高得有限;

2)使用電磁鐵是一個思路，通過提高電流來提高磁感應(yīng)強(qiáng)度B.

(3) 可以采取放大感應(yīng)電動勢的思想.

用什么來放大感應(yīng)電壓呢？變壓器是一個理想而實際的選擇,所以選用變壓器來研究，變壓器這個知識點高二學(xué)生還沒有學(xué)習(xí).如果是上課演示,需要先介紹變壓器的結(jié)構(gòu)，如圖9.介紹原線圈與副線圈，原線圈(左邊)輸入1 V的電壓，副線圈(右邊)可以得到16 V的電壓變壓比為1∶16.在我校實驗室內(nèi)有6∶220的變壓器，變壓比為3∶110，可以獲得更高的電壓，我們實際連接電路如圖10所示.所用電源為高中學(xué)生電源J1202型，將原線圈接在交流2 V逐漸調(diào)節(jié)電壓看電子束偏轉(zhuǎn)情況,將電壓調(diào)節(jié)到交流10 V時，如圖12(a)，電子束有明顯偏轉(zhuǎn).注意本實驗中所使用變壓器當(dāng)輸入交流電壓超過10 V以上，電源會自動保護(hù)斷開.接通電源以后由于我們?nèi)粘Ｓ秒姙榻涣?0 Hz，頻率變化太快,此時不能直接看到電子束偏轉(zhuǎn),可以看到,當(dāng)斷開開關(guān)瞬間,電子會發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn),因為在最后瞬間電流從有變?yōu)榱?，以后電子束恢?fù)到原來軌跡，結(jié)果如圖12(b)，實驗效果非常理想.

圖9

圖10

圖11

圖12

本實驗的優(yōu)點有以下幾點.

(1)可見度高.在課堂演示時學(xué)生看到明顯的電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)；

(2)采取了放大感應(yīng)電動勢的思想，由于原來直接用永磁鐵時感應(yīng)電動勢太小，無法看到實驗結(jié)果,而采用變壓器以后把感應(yīng)電動勢進(jìn)行放大；

(3)整個實驗的設(shè)計過程中，本身就體現(xiàn)了一種科學(xué)探究的過程；

缺點:不能直接用永磁鐵來產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,如果想要更好的實驗效果需要更大的變壓比的變壓器來產(chǎn)生更高的感應(yīng)電動勢.

方法3:采用示波器顯示感應(yīng)電動勢的存在.

上述陰極射線管顯示感應(yīng)電動勢的方法與示波器原理相同,因此我們也可以用示波器來演示感應(yīng)電動勢實驗.原理如圖13,線圈為教學(xué)變壓器,參數(shù)同前.將感應(yīng)線圈的兩端接到示波器的YY′偏轉(zhuǎn)電極,當(dāng)拔出或者插入磁鐵的過程中，在線圈內(nèi)如果產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，則有偏轉(zhuǎn)電壓加在豎直方向，則示波器顯示屏上的亮點會在豎直方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)．實驗結(jié)果如圖14.左圖是插入之前，右圖是插入過程中的示波器顯示屏幕對比．

圖13

圖14

實驗優(yōu)點：用永磁鐵直接插入線圈實驗的靈敏度非常高，實驗效果非常理想，所用儀器簡單，可操作性強(qiáng)．

實驗缺點：實驗原理不夠直觀，學(xué)生需要對示波器的原理有充分的認(rèn)識，才能理解光點偏轉(zhuǎn)的原因是線圈內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢．

總之，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的條件是電路的磁通量發(fā)生變化，感應(yīng)電動勢的存在與無論電路是否閉合無關(guān)．在研究一個具體物理問題時，我們首先要確保實驗原理是正確的，如方法1.在用具體真實的實驗來給學(xué)生展示物理知識時，能做實驗的要做實驗，這樣可以保證學(xué)生有充分的表象認(rèn)知，也可以加深學(xué)生的知識記憶，方法2和方法3進(jìn)行比較，方法2原理直觀，產(chǎn)生高壓感應(yīng)電動勢是難點，方法3容易操作,實驗效果顯著，但是原理解釋需要時間，在具體的教學(xué)過程中可以進(jìn)行選擇．