施 堅(jiān)

(江蘇省梁豐高級中學(xué),江蘇 張家港 215600)

法拉第電磁感應(yīng)定律4種定量探究方案的課堂實(shí)踐對比

施 堅(jiān)

(江蘇省梁豐高級中學(xué),江蘇 張家港 215600)

新課改督促教師大膽創(chuàng)新,鼓勵探究,人教版“法拉第電磁感應(yīng)定律”是一節(jié)物理規(guī)律新授課,但教材并沒有展開規(guī)律的探究過程,這需要教師進(jìn)行教材的二次開發(fā).本文對法拉第電磁感應(yīng)定律的4種定量或半定量探究方案的課堂實(shí)踐進(jìn)行了對比分析．

定性;定量;實(shí)驗(yàn)探究;課堂

某市舉行的“關(guān)于法拉第電磁感應(yīng)定律”4節(jié)“同課異構(gòu)”名師課堂展示,現(xiàn)場先后4位教師均分別從定性實(shí)驗(yàn)分析探討影響感應(yīng)電動勢大小的因素,猜想感應(yīng)電動勢與相關(guān)量的可能數(shù)學(xué)關(guān)系,再設(shè)計(jì)定量實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證感應(yīng)電動勢與相關(guān)量的具體關(guān)系,各具匠心地設(shè)計(jì)了4種截然不同的定量或半定量的研究方案,亮點(diǎn)紛呈．

方案1.可拆變壓器+小燈泡

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

可拆交流演示變壓器1個,多用電表1只,小燈座1個,3.8 V小燈泡1只,長約3 m的導(dǎo)線1根,220 V交流電源.

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

圖1

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

步驟2:除去副線圈,換上長導(dǎo)線纏繞在鐵芯上代替副線圈,并將導(dǎo)線兩端與小燈泡串接成閉合線路,同時將已調(diào)至交流電壓擋的多用電表與小燈泡并聯(lián),將橫軛開口距離調(diào)至3 mm左右．隨著纏繞在鐵芯上的線圈匝數(shù)增多,可以觀察到小燈泡從不亮到亮的變化過程;在繞到第4匝時,燈絲微微發(fā)光;當(dāng)線圈繞到20匝左右,小燈泡已經(jīng)比較亮了．繞線過程中,觀察多用電表上交流電壓讀數(shù),發(fā)現(xiàn)每多繞一匝導(dǎo)線,感應(yīng)電動勢約增大0.1 V,可得出E與n成線性遞增關(guān)系．

誤差分析:纏繞導(dǎo)線時,開口處的鐵芯內(nèi)上、下不同的位置,磁感線的分布有所不同,從而影響各處的ΔΦ/Δt．因此,在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡量使導(dǎo)線繞在鐵芯下部的同一位置附近．同時,該實(shí)驗(yàn)中變壓器原線圈所接為220 V市電,因此實(shí)驗(yàn)過程應(yīng)考慮安全和迅速,這也給整個實(shí)驗(yàn)的儀表示數(shù)讀取和記錄提出了較高的要求,某種程度上也增加了誤差．而且,由于自感作用,環(huán)繞導(dǎo)線中會產(chǎn)生反電動勢,因此電壓表的示數(shù)會有一個逐漸增大的過程．

方案1簡單直觀,帶給學(xué)生比較震撼的物理現(xiàn)象,能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,但讓學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究參與程度不是很高,而且學(xué)生對相關(guān)知識的掌握不足可能會導(dǎo)致教師的預(yù)設(shè)和學(xué)生的理解的脫節(jié)．因此,該實(shí)驗(yàn)中“橫軛抽動”和“環(huán)繞線圈點(diǎn)亮小燈泡”作為課堂引入實(shí)驗(yàn)來引發(fā)學(xué)生進(jìn)行“感應(yīng)電動勢可能影響因素的猜想”更為合適些．

方案2.幀分析+傳感器

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

可拆交流演示變壓器2個,靈敏電流計(jì)2只,示波器1臺，條型磁鐵3根,導(dǎo)線若干,蘋果手機(jī)(或IPAD)一部,蘇威爾數(shù)據(jù)采集器和毫伏電壓傳感器.

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)閉合電路歐姆定律,感應(yīng)電流的大小總是與感應(yīng)電動勢成正比,即可采用靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)格數(shù)來代替感應(yīng)電動勢的大?。?yàn)樗镁€圈均是銅導(dǎo)線制作,可視作內(nèi)阻不計(jì)．若要探究感應(yīng)電動勢E與磁通量變化量ΔΦ的關(guān)系,應(yīng)該控制線圈匝數(shù)不變和插(拔)用時Δt不變,改變磁鐵的條數(shù)并從同一位置完成完整插入(或拔出)以實(shí)現(xiàn)磁通量變化量ΔΦ成倍變化,插(拔)快慢不變可以人為地控制同一人的最快速度,同樣通過記錄靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)格數(shù)(或示波器示數(shù))以代表感應(yīng)電動勢E的大?。?/p>

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

步驟1:幀分析瞬時值實(shí)現(xiàn)突破E∝ΔΦ實(shí)驗(yàn)“困難點(diǎn)”．教師啟發(fā)并匯總學(xué)生在教材E∝ΔΦ探究實(shí)驗(yàn)方案中遇到的困難:因?yàn)槠D(zhuǎn)太快，靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)格數(shù)很難正確讀?。?插(拔)快慢Δt不變僅以同一人的最快速度來控制,很難把握……

教師啟發(fā)并演示“桿連磁鐵拔出”實(shí)驗(yàn)(如圖2):對“兩根條形磁鐵同一高度自由落體運(yùn)動時間一定相同”進(jìn)行逆向思維,即通過條形磁鐵條數(shù)的不同(一端夾有一根磁鐵,一端夾有兩根磁鐵)來實(shí)現(xiàn)ΔΦ的倍數(shù)關(guān)系,通過桿連磁鐵同時從線圈中拔出來突破時間Δt相同這一“困難點(diǎn)”,并借助蘋果手機(jī)的iTools軟件的鏡像及慢鏡頭播放兩大功能,以便觀察靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)格數(shù)(即感應(yīng)電動勢E的大小),多次對比讀取兩表偏轉(zhuǎn)格數(shù),得出幾乎全過程兩表的平均值倍數(shù)關(guān)系．實(shí)驗(yàn)結(jié)論:兩根磁鐵實(shí)驗(yàn)時對應(yīng)的靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)格數(shù)分布是一根磁鐵時的1倍到3倍之間,多數(shù)在2倍左右,即在誤差允許范圍內(nèi),可以粗略認(rèn)為感應(yīng)電動勢E與磁通量變化量ΔΦ成正比,即E∝ΔΦ．

圖2

圖3

步驟3:借助毫伏電壓傳感器,換用2倍匝數(shù)的線圈(均視作為電阻可忽略),實(shí)驗(yàn)方法同于步驟2的落體運(yùn)動或斜面下滑運(yùn)動,控制磁通量變化量ΔΦ和快慢時間Δt不變,探究感應(yīng)電動勢E與匝數(shù)n的關(guān)系,如圖4所示,后者峰值為前者2倍．實(shí)驗(yàn)結(jié)論:在誤差允許范圍內(nèi),當(dāng)匝數(shù)2倍時,感應(yīng)電動勢為前者的2倍,即E∝n．

圖4

誤差分析:在步驟1中有多處引起誤差的可能原因: ① 由于磁感應(yīng)強(qiáng)度為矢量,兩根條形磁鐵疊放時磁感線的分布已經(jīng)不是一根條形磁鐵的磁感線簡單的2倍關(guān)系．② 一根磁鐵相對于線圈的幾何位置與兩根磁鐵相對于線圈的幾何位置有一定的差異,導(dǎo)致拔出過程磁通量的變化量不完全是2倍關(guān)系．③ 實(shí)驗(yàn)過程中偏轉(zhuǎn)格數(shù)讀取的誤差．④ 用手控制桿的上提過程不一定完全水平．在步驟2中,條形磁鐵初始下落高度不同時,其實(shí)對應(yīng)后續(xù)實(shí)驗(yàn)涉及的ΔΦ已不完全相同,只是差異不是很大,是一種較為粗略的方案．另外,整個實(shí)驗(yàn)方案都把線圈的電阻視作為零,從而認(rèn)為靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)格數(shù)正比對應(yīng)于感應(yīng)電動勢的大小,這顯然也是一種較為粗略的對應(yīng)關(guān)系,因?yàn)閷?shí)際線圈電阻不可能為零,而且線圈匝數(shù)越多電阻越大,只是這些電阻對于靈敏電流計(jì)而言顯得相對還是比較小的．這些誤差教師需要向?qū)W生交代和分析,可以有效培養(yǎng)學(xué)生觀察和分析問題中思維的嚴(yán)謹(jǐn)和深度．

方案3.光電門與毫伏電壓傳感器同步

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

蘇威爾數(shù)據(jù)采集器、光電門傳感器、毫伏電壓傳感器、磁場傳感器、方形線圈(可更換)、小車、軌道、擋光片、條形磁鐵等.

圖5

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

將方形線圈的接線柱與毫伏電壓傳感器相連,并設(shè)置與光電門傳感器同步采集,即實(shí)現(xiàn)自動在擋光片擋光始、末之間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集．其中毫伏電壓傳感器內(nèi)阻很大,而方形線圈的電阻很小,因此組成的回路中獲得的感應(yīng)電動勢可以認(rèn)為即為毫伏電壓傳感器的電壓示數(shù)．

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

圖6

步驟2:探究感應(yīng)電動勢與匝數(shù)n的關(guān)系．軌道末端適當(dāng)墊高,在某處靜止釋放小車,在軟件界面上讀取感應(yīng)電動勢的數(shù)值;換用2倍匝數(shù)的線圈(均視作為電阻可忽略),注意外形和尺寸和原來的方形線圈盡量一致,在軌道的相同位置再次靜止釋放小車,再次讀取感應(yīng)電動勢的數(shù)值,幾乎為前者的2倍．即可認(rèn)為在誤差允許范圍內(nèi),感應(yīng)電動勢與線圈匝數(shù)成正比,即E∝n．

步驟3:探究感應(yīng)電動勢與磁通量變化量ΔΦ的關(guān)系．更換外形相同但磁感應(yīng)強(qiáng)度不同的條形磁鐵(可課前用磁場傳感器在距離磁鐵相同距離情況下先行測定,得到對應(yīng)的倍數(shù)關(guān)系),同于步驟2在一端墊高的軌道上某處靜止釋放,來分別讀取感應(yīng)電動勢的數(shù)值,發(fā)現(xiàn)兩次感應(yīng)電動勢的倍數(shù)關(guān)系幾乎同于磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度的倍數(shù)關(guān)系．即可認(rèn)為在誤差允許范圍內(nèi),感應(yīng)電動勢與磁通量變化量成正比,即E∝ΔΦ．

誤差分析:方案3相對于方案2,因?yàn)樗檬呛练妷簜鞲衅?其內(nèi)阻非常大,因此線圈電阻顯得非常小,即使是換匝數(shù)稍多些的線圈,也可以忽略,因此感應(yīng)電動勢的讀數(shù)更為精準(zhǔn)．因?yàn)槭褂玫氖菙?shù)據(jù)采集器,即使是在光電門與電壓傳感器同步的情況下,快速滑動小車可能會帶來響應(yīng)不及時,還有小車上遮光片微小晃動影響擋光時間,這些都會帶來一定的誤差．

方案3借助光電門與毫伏電壓傳感器同步功能巧妙而直觀地讀取了擋光片擋光過程中的電動勢,而且由于光電門獲取速度利用了v=Δx/Δt,即為平均速度,因此實(shí)際上電壓傳感器讀取的是平均電動勢,但由于軟件過于智能化,學(xué)生沒有看到這樣的一個處理過程,可能會認(rèn)為讀取的是過程中的電動勢最大值,因此需要教師在實(shí)驗(yàn)過程中向?qū)W生講清．但這個方案相對誤差比較大,繪制的E-v圖像的直線距離原點(diǎn)有一定偏差,需要進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案．

方案4.自制“法拉第電磁感應(yīng)定律定量實(shí)驗(yàn)儀”教具+傳感器

4.1 實(shí)驗(yàn)器材(核心部件)

自制“法拉第電磁感應(yīng)定律定量實(shí)驗(yàn)儀”教具(TSUKASA馳卡沙7字形、24 V全金屬減速電機(jī)1部,電機(jī)調(diào)速板1塊,聯(lián)想19 V、3.42 A筆記本電源1組,數(shù)字轉(zhuǎn)速計(jì)配霍爾探頭1組,如圖7所示),銅絲繞制的20匝、50匝、100匝方形線圈各1個、柱形強(qiáng)磁鐵一枚,蘇威爾數(shù)據(jù)采集器、毫伏電壓傳感器、磁場傳感器．

圖7

4.2 實(shí)驗(yàn)原理

利用減速電機(jī)調(diào)速旋鈕可以實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)速n的變化,其中圖中橫桿右側(cè)有一強(qiáng)磁性柱形小磁鐵(可更換磁感應(yīng)強(qiáng)度不同的磁鐵),當(dāng)它在減速電機(jī)的帶動下每旋轉(zhuǎn)一圈經(jīng)過圖中霍爾探頭元件時,霍爾探頭內(nèi)會產(chǎn)生一個較強(qiáng)電流脈沖,從而實(shí)現(xiàn)計(jì)時功能;橫桿右側(cè)磁鐵旋轉(zhuǎn)經(jīng)過上方方形線圈(可插拔更換為20匝、50匝、100匝等不同匝數(shù))時,線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化,線圈回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢．而方形線圈的接線柱與數(shù)據(jù)采集器和毫伏電壓傳感器相連后,因?yàn)槠渲泻练妷簜鞲衅鲀?nèi)阻很大,方形線圈的電阻卻很小,因此組成的回路中獲得的感應(yīng)電動勢可以認(rèn)為即為毫伏電壓傳感器的電壓示數(shù)．

4.3 實(shí)驗(yàn)過程

步驟1:教師介紹感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的本質(zhì)是線圈中的磁通量發(fā)生變化,可以是磁鐵的縱向靠近或遠(yuǎn)離,還可以是橫向靠近或遠(yuǎn)離,直線或圓周,從而引出自制教具“法拉第電磁感應(yīng)定律定量實(shí)驗(yàn)儀”并簡要介紹其工作原理．

圖8

圖9

步驟3:探究感應(yīng)電動勢與磁通量變化量的關(guān)系．更換外形相同但磁感應(yīng)強(qiáng)度不同的柱形強(qiáng)磁鐵(可課前用磁場傳感器在距離磁鐵相同距離情況下先行測定,得到對應(yīng)的倍數(shù)關(guān)系),分別約為0.018 T和0.012 T,即約為1.5倍關(guān)系．教師引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)探究思路:選擇某轉(zhuǎn)速(例如49.8 r/min),分別在轉(zhuǎn)動桿末端相同位置放上上述兩強(qiáng)磁鐵,并分別采集和讀取t軸上方圖像的感應(yīng)電動勢平均值(例如分別為29.99 mV和20.12 mV),對比前后兩次感應(yīng)電動勢平均值關(guān)系,即幾乎也為1.5倍關(guān)系．實(shí)驗(yàn)結(jié)論:在誤差允許范圍內(nèi),感應(yīng)電動勢E與磁通量變化量成正比,即E∝ΔΦ．

步驟4:探究感應(yīng)電動勢與線圈匝數(shù)的關(guān)系．換用同外形、同材料的50匝方形線圈,同樣采集轉(zhuǎn)速n′(例如76.9 r/min)時的感應(yīng)電動勢,對比前后讀取感應(yīng)電動勢平均值(例如分別為35.03 mV和17.89 mV),幾乎為2倍關(guān)系．實(shí)驗(yàn)結(jié)論:在誤差允許范圍內(nèi),感應(yīng)電動勢E與匝數(shù)n成正比,即E∝n．教師引導(dǎo):是否能從理論上加以證明感應(yīng)電動勢E與匝數(shù)n的正比關(guān)系?(教師演示導(dǎo)線在空方框上的繞制過程以啟發(fā)學(xué)生)得出結(jié)論:線圈每一匝之間是串聯(lián),而在相同時間內(nèi)每一匝都會有相同的磁通量變化,產(chǎn)生了相同的感應(yīng)電動勢,因此,總的感應(yīng)電動勢是每匝的累加,即感應(yīng)電動勢E與匝數(shù)n成正比．

誤差分析:方案4相對于方案3有了進(jìn)一步的優(yōu)化，從EXCEL圖像可以直觀地看到正確率更高,這應(yīng)該與電機(jī)精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)速測定有關(guān),而且這個實(shí)驗(yàn)裝置相對于方案3更具有穩(wěn)定性．

方案4突破了前面3個方案較為模糊的感應(yīng)電動勢平均值概念,通過傳感器軟件精確選取讀數(shù)很好地實(shí)現(xiàn)了可視化．另該方案引入了理論探究感應(yīng)電動勢與匝數(shù)n的關(guān)系,可以讓學(xué)生對規(guī)律的理解更為深入,也突破了實(shí)驗(yàn)結(jié)果受數(shù)據(jù)和次數(shù)的局限性．

科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)最為重要兩大因素,這也決定了物理規(guī)律的得出過程不應(yīng)是簡單地教師推導(dǎo),而應(yīng)成為學(xué)生在教師引導(dǎo)下的“再創(chuàng)造”和思維進(jìn)階的過程,無論是定性到定量,還是實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論,以及多種方案的評價對比,都是新課改應(yīng)該可以嘗試的方向．

2017-02-12)

本文系江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度重點(diǎn)課題“核心素養(yǎng)導(dǎo)向的高中物理圖景教學(xué)實(shí)踐研究”(編號:B-b/2015/02/133)和江蘇省中小學(xué)教研2015年度立項(xiàng)課題“新課程高中物理試題探究能力考查的應(yīng)用研究”(2015JK11-L085)階段性成果之一．