唐建勛

(無錫市輔仁高級中學(xué),江蘇 無錫 214123)

人教版“法拉第電磁感應(yīng)定律”這一課時的教學(xué)安排中,法拉第電磁感應(yīng)定律作為實驗結(jié)論是直接在教材中給出的,教材中沒有展示任何演示實驗或?qū)W生實驗．但是該定律可以通過簡單的演示實驗進(jìn)行驗證,教學(xué)上通常的設(shè)計是利用條形磁鐵、線圈和電流計,將磁鐵置于線圈中插拔,通過改變插拔速度,觀察電流計示數(shù)的不同,從而得出磁通量變化越快,感應(yīng)電動勢越大的結(jié)論.然而受制于傳統(tǒng)的實驗技術(shù)和手段,在課堂上只能對該定律進(jìn)行定性研究,無法實現(xiàn)定量驗證．隨著近幾年來朗威DISLab系統(tǒng)的推廣應(yīng)用,使得傳統(tǒng)電磁類實驗?zāi)軌蛲ㄟ^傳感器進(jìn)行連續(xù)的實驗數(shù)據(jù)采集,并通過計算機對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時記錄和處理,使得以往只能在專業(yè)實驗室中完成的實驗?zāi)茉谡n堂上演示．目前對法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行定量驗證的實驗有若干種,本文筆者對比分析了下列各實驗．

1 朗威法拉第電磁感應(yīng)實驗器Ⅰ

圖1

如圖1所示,底座A上安裝豎直軌道B和長方形扁平磁鐵C(磁場水平指向);線圈D可在軌道中從不同高度自由下落,線圈通過導(dǎo)線E連接內(nèi)置在底座內(nèi)的朗威電壓傳感器F,以確保導(dǎo)線不會影響到線圈的順利下落;擋光片G固定在線圈上端;實驗器底座上安裝有光電門H．電壓和光電門傳感器均接入同樣內(nèi)置在底座內(nèi)的實驗器采集電路I,并通過USB接口J與計算機連接．

2 朗威法拉第電磁感應(yīng)實驗器Ⅱ

如圖2所示,底座A上安裝初級線圈B、次級線圈C和磁感應(yīng)強度傳感器D;線圈通過細(xì)導(dǎo)線E連接內(nèi)置在底座內(nèi)的電壓傳感器F;初級線圈由朗威智能電源G供電;實驗器底座內(nèi)置實驗器采集電路H,并通過USB接口連接計算機．

圖2

3 自由落體電磁感應(yīng)實驗

圖3

如圖3所示,將一根有機玻璃管豎直固定,在管身上標(biāo)定距離刻度．在管身上套有一定匝數(shù)的線圈,同時把線圈連接至電流傳感器,在計算機上顯示電流i隨時間t變化圖像．在玻璃管口從靜止釋放一強磁鐵,下落時穿過線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流,然后由電流傳感器將電流峰值記錄在DISLab軟件上,如圖4所示．

圖4

圖5

4 插拔條形磁鐵電磁感應(yīng)實驗

圖6

圖7

5 旋轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生感應(yīng)電動勢實驗(Ⅰ)

圖8

圖9

圖10

圖11

6 旋轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生感應(yīng)電動勢實驗(Ⅱ)

上述6種實驗均能對法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行嚴(yán)格的定量驗證,這都?xì)w功于DISLab系統(tǒng)的電壓傳感器、電流傳感器對電壓、電流的實時記錄,以及求平均值和求圖像面積等特殊處理,突破了傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)處理所無法在課堂實現(xiàn)的限制．但是盡管這些實驗采用的數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理手段都是源自于DISLab系統(tǒng),但是這6個實驗卻各有不同,它們的設(shè)計思路呈現(xiàn)出各自的特色．

實驗1和實驗2是DISLab系統(tǒng)自帶的兩套整合化的實驗裝置,而且其各自帶有專用分析軟件,其中實驗1本質(zhì)是動生電動勢,實驗2本質(zhì)為感生電動勢,兩套裝置都將各種傳感器精巧地組合設(shè)計在一起,顯得緊湊精準(zhǔn),配合提供的專用軟件,是這6種實驗中操作最簡便快捷,數(shù)據(jù)最精確的．可也正是因為其高度的整合與精巧的設(shè)計,往往使學(xué)生在課堂上較為被動地接受了這樣的實驗原理和設(shè)計思路,教師進(jìn)行演示時會為了追求實驗原理的合理性、實驗數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性、實驗數(shù)據(jù)獲得與處理的快捷性,而缺乏對學(xué)生的思維過程的引導(dǎo),所以學(xué)生雖然能較快地得到定量的結(jié)論,但給學(xué)生留白的空間太少,容易產(chǎn)生他們對法拉第電磁感應(yīng)定律的驗證知其然而不知其所以然的情況．

實驗5、實驗6的設(shè)計相對于實驗3的速度定量更為精確且可控,誤差較小;相對于實驗1、實驗2的教學(xué)演示更為直觀清晰,可視性效果更好;相對于實驗4的實驗設(shè)計思路更為通俗簡便,對學(xué)生的思維負(fù)擔(dān)小．但對實驗器材準(zhǔn)備的條件來看,實驗5和實驗6是這幾個實驗中要求最高的,也對教師動手自制實驗儀器的能力提出了較高的要求．