魯 斌　馮子江

(浙江省余姚中學(xué)　浙江 寧波　315400)

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基于DIS的電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與探究

魯 斌馮子江

(浙江省余姚中學(xué)浙江 寧波315400)

電磁感應(yīng)定律教學(xué)的難點(diǎn)在于繼定性分析之后，如何有效地引導(dǎo)學(xué)生理解感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化率的關(guān)系，并得出定律的數(shù)學(xué)表述.本文通過(guò)自制的電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)使磁場(chǎng)均勻變化和按三角函數(shù)變化，比較磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線和感應(yīng)電流變化曲線，明確“變化率”的概念.接著用單擺實(shí)驗(yàn)和磁鐵下落實(shí)驗(yàn)進(jìn)行猜想和探究，體會(huì)“變化率”的內(nèi)涵.

DIS電磁感應(yīng)定律自制教具變化率

電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)的核心內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)定律時(shí)，由于磁通量的變化無(wú)法直接觀察，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)只在磁通量變化時(shí)產(chǎn)生，也較難測(cè)量.教材中并未安排定量探究的實(shí)驗(yàn)，對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量的變化率之間的關(guān)系，學(xué)生很難有理性的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致在學(xué)習(xí)過(guò)程中無(wú)法深刻理解其實(shí)質(zhì).

筆者通過(guò)自制的法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)不同的磁場(chǎng)變化和所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電流變化情況進(jìn)行比較研究，讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)圖像中體會(huì)變化率的內(nèi)涵.

1　磁場(chǎng)均勻變化 感應(yīng)電流不變

如圖1所示，筆者設(shè)計(jì)了“電磁感應(yīng)演示儀1”.利用馬達(dá)勻速帶動(dòng)穩(wěn)壓源旋鈕，使通過(guò)副線圈中的磁通量均勻變化.為了讓學(xué)生能夠直觀地了解感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨磁通量的變化情況，借助DIS，利用磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器記錄副線圈中的磁場(chǎng)變化情況，利用微電流傳感器記錄原線圈中感應(yīng)電流的變化情況，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生對(duì)曲線做整體的分析，得到初步猜想.

圖1　電磁感應(yīng)演示儀1

得到的圖像如圖2所示，藍(lán)色的曲線為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線，紅色的曲線為微電流的變化曲線.整個(gè)圖線可以分成5部分.磁場(chǎng)為零，微電流為零；磁場(chǎng)均勻增大，微電流保持不變；磁場(chǎng)保持最大值不變，微電流為零；磁場(chǎng)均勻減小，微電流保持不變；磁場(chǎng)減小為零，微電流為零.

圖2　感應(yīng)電流隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線

從圖像中可以很清楚地看到，只要磁場(chǎng)不變化，電流為零，磁場(chǎng)均勻變化，感應(yīng)電流保持不變.由電磁感應(yīng)定律，若

B=kt+B0

則

若k值不變，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)保持不變，感應(yīng)電流也不變，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合.引導(dǎo)學(xué)生類(lèi)比運(yùn)動(dòng)學(xué)中速度-加速度變化的關(guān)系，明確感應(yīng)電流的大小可以用磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率描述，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小可用磁通量的變化率描述.

若增大馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，即增大磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大速度，即k值增大，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)增大.實(shí)驗(yàn)圖像如圖3(a)和圖3(b)所示.

(a)

(b)

2　磁場(chǎng)變化為三角函數(shù) 感應(yīng)電流相位相差

如圖4所示，筆者設(shè)計(jì)了“電磁感應(yīng)演示儀2”，將彈簧懸掛在鐵架臺(tái)上，下端連接磁鐵.將副線圈置于其下端，并與微電流傳感器相連，測(cè)量感應(yīng)電流的變化情況.在中間放入磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器，測(cè)量磁場(chǎng)的變化情況.將磁鐵稍向下移動(dòng)，并釋放，讓其開(kāi)始振動(dòng).

圖4　電磁感應(yīng)演示儀2

圖5　感應(yīng)電流隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線

由電磁感應(yīng)定律，若

若將線圈輸出端短接，如圖6所示，則線圈形成閉合回路，產(chǎn)生的感應(yīng)電流在線圈內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng)，則此時(shí)磁鐵做較明顯的阻尼振動(dòng).

圖6　阻尼振動(dòng)裝置

測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化情況如圖7所示，其最大值在不斷減小，說(shuō)明磁鐵振動(dòng)的最低點(diǎn)在不斷遠(yuǎn)離線圈，振幅逐漸減小.

圖7　電磁阻尼

3　探究單擺運(yùn)動(dòng)中 磁感應(yīng)強(qiáng)度與感應(yīng)電流的變化情況

如圖8所示，將圖6實(shí)驗(yàn)裝置的彈簧磁鐵系統(tǒng)換成懸掛著磁鐵的單擺系統(tǒng).將磁鐵拉開(kāi)一定的角度，然后靜止釋放，磁鐵開(kāi)始擺動(dòng)，通過(guò)線圈的磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化.

圖8　電磁感應(yīng)演示儀3

圖9　感應(yīng)電流隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.從圖像中我們可以看出，在磁鐵來(lái)回?cái)[動(dòng)的過(guò)程中，磁場(chǎng)發(fā)生周期性變化.對(duì)于A點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度最小，變化率為零，所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電流為零，此時(shí)，磁鐵處于最大振幅處，速度為零.對(duì)于B點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，變化率最大，感應(yīng)電流最大，此時(shí)，磁鐵處于最低點(diǎn)，速度最大.

4　探究條形磁鐵通過(guò)線圈時(shí) 磁感應(yīng)強(qiáng)度與感應(yīng)電流的變化情況

將磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器從副線圈中取出，橫放在線圈外側(cè)中部，將條形磁鐵在線圈某一高度處?kù)o止釋放.由于磁鐵運(yùn)動(dòng)的速度較快，所以能采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)不多，圖線呈折線.但是，我們?nèi)钥梢酝ㄟ^(guò)此圖像進(jìn)行研究.得到的實(shí)驗(yàn)圖像如圖10所示.

圖10　感應(yīng)電流隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線

在AB段，磁鐵靠近線圈，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大，且速度逐漸增大，感應(yīng)電流逐漸增大；BC段，磁感應(yīng)強(qiáng)度反向，此時(shí)變化率最大，感應(yīng)電流最大；CD段，磁鐵遠(yuǎn)離線圈，磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，雖然速度增大，但總體磁通量變化率減小，感應(yīng)電流減小，最后減為零.

5　結(jié)語(yǔ)

在課堂教學(xué)中，可以先演示磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻變化和呈三角函數(shù)變化的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在圖像中得出磁通量與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間“變化率”的關(guān)系.接著用單擺實(shí)驗(yàn)和磁鐵下落實(shí)驗(yàn)進(jìn)行猜想和探究，體會(huì)“變化率”的內(nèi)涵.在保持線圈面積與電阻不變的情況下，磁通量的變化規(guī)律可利用梯形、鋸齒形等多變化規(guī)律的電流來(lái)呈現(xiàn)，也可利用低頻交流電實(shí)驗(yàn)[1]，從B-t圖與I-t圖的比較與分析中，探究感應(yīng)電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度變化之關(guān)系.進(jìn)一步了解曲線之間的相位關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證電磁感應(yīng)定律的正確性.

1徐衛(wèi)東.利用DISLab探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與磁通量變化關(guān)系.物理教師，2008，29(9)：27

2016-01-04)

林慧金(1995-)，女，本科生，主要研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn).指導(dǎo)教師：李德安(1974-)，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)與科技創(chuàng)新、信息技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用研究等.