背景

法拉第電磁感應(yīng)定律在高中課本中只是做了定性討論后就直接給出了法拉第電磁感應(yīng)定律，而對(duì)于定律的得出，教材上并沒有給出探究的方向，也沒有實(shí)驗(yàn)方案，本文目的在于為高中教學(xué)中法拉第的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供幾種可選擇的、具體可行的方案。

法拉第電磁感應(yīng)的內(nèi)容：電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟穿過(guò)這一電路的磁通量變化率成正比。

公式： ， 即 ；當(dāng)電動(dòng)勢(shì)、磁通量、時(shí)間都取國(guó)際單位伏、韋伯、秒，比例常量 ， 此時(shí)。

本文目的就在于驗(yàn)證。

提出猜想

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

將線圈和毫安電流表相連，插入磁鐵過(guò)程會(huì)看到電流表偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明此時(shí)產(chǎn)生了感應(yīng)電流；當(dāng)我們反向插入磁鐵時(shí)，電流表反向偏轉(zhuǎn)，電流方向相反。

用兩根磁鐵異名磁極插入時(shí)不偏轉(zhuǎn)，此時(shí)磁通量始終為零；用兩根磁鐵同名磁級(jí)插入時(shí)，偏轉(zhuǎn)越厲害，即磁通量變化越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。磁鐵快速插入時(shí)偏轉(zhuǎn)越厲害，電流越大，即插入時(shí)間越短，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

線圈中磁通量變化越大，所用時(shí)間越短，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。

實(shí)驗(yàn)猜想

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論中可以看出，影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的因素有兩個(gè)：磁通量的變化量、變化磁通量所用的時(shí)間。由此我們可以提出以下假設(shè)：

當(dāng)磁通量變化的時(shí)間一定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量成正比，即一定，；

當(dāng)磁通量的變化量一定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化的時(shí)間成反比，即一定，CPipCJWsHqLQ7nPX6SAHpg== 。

當(dāng)然，上訴猜想只是基于最簡(jiǎn)單原則，也有可能 ，，以及和三次方成正比反比。

驗(yàn)證一定，

在這一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們要控制不變，改變。

設(shè)想改變的方法

可以改變磁鐵插入線圈的深度，但這樣就很難控制和測(cè)量改變了多少；于是，這里我們改變的方法，用一根磁鐵插入線圈以及和用兩根磁鐵同名磁極插入線圈相同深度，以此知道后者磁通量的改變量是前者的兩倍；同理，可以用三根、四根等磁鐵同名磁極插入線圈相同深度，磁通量的改變量分別是第一次的三倍、四倍等。

控制的方法：

1.通過(guò)自由落體運(yùn)動(dòng)控制相同

如果我們把磁鐵從同一高度靜止釋放，磁鐵落到線圈里的速度是一個(gè)確定值，由此穿過(guò)線圈的時(shí)間也是一個(gè)確定值，這種方式可以控制磁鐵穿過(guò)線圈的時(shí)間。缺點(diǎn)：這種方式我們會(huì)發(fā)現(xiàn)諸多問題，比如磁體穿過(guò)線圈的時(shí)間太短，電流太大，超過(guò)量程；磁鐵往往不容易掉入線圈；時(shí)間太短，電流來(lái)不及測(cè)量。

2.通過(guò)以上問題存在的缺點(diǎn)，我們可以改良一下設(shè)計(jì)方案，將磁鐵從斜面上滑下，可以緩沖重量，從而使其穿過(guò)線圈的時(shí)間延長(zhǎng)，也能更好地滑入線圈。

3.我們?cè)O(shè)計(jì)了另外一種實(shí)驗(yàn)方案可以很好地控制時(shí)間：如圖1所示，將木棒的一端固定一根磁鐵，另一端固定兩根磁鐵，磁極的方向如圖所示；兩個(gè)相同的電流表分別和兩個(gè)相同的線圈相連。用手拿住木棒，緩慢插入線圈，注意：插入過(guò)程兩邊的磁鐵速度要一致。在這個(gè)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)誤差比較小。

4.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，由于感應(yīng)電流比較短暫，電流變化快，很難看清楚兩個(gè)電流表的示數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

我們有兩種解決方案：

（1）兩組人同時(shí)來(lái)讀示數(shù)，一組讀表一，一組讀表二，為了對(duì)比，都讀最大值即可。

（2）可以用高速攝像機(jī)（華為手機(jī)慢動(dòng)作拍攝也可）將兩個(gè)電流表的示數(shù)拍攝下來(lái)，再用軟件慢放，同時(shí)暫停幾幅圖片對(duì)比即可。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，插入兩根磁鐵時(shí)的電流示數(shù)是插入一根時(shí)的兩倍，正好滿足 。為了更有說(shuō)服力，我們可以再設(shè)計(jì)一個(gè)插入三根和四根磁鐵的實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)比。

驗(yàn)證一定，

在這一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們要控制不變，改變。

控制的方法

用同一塊磁鐵穿過(guò)線圈?？焖俸吐俅┻^(guò)線圈，磁通量的變化量是一樣的，時(shí)間不一樣。

測(cè)量的方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

將磁鐵用支架固定在小車上，擋光片也固定在小車上，若小車不平衡則在后面加配重。如圖2所示：

平板上安裝光電門和線圈，調(diào)整光電門和線圈的位置，使磁鐵通過(guò)線圈時(shí)擋光片正好通過(guò)光電門，這樣磁鐵通過(guò)線圈的時(shí)間正好可以用擋光片通過(guò)光電門的時(shí)間表示出來(lái)。這里不要求磁鐵厚度和擋光片相同，即不要求磁鐵通過(guò)線圈的時(shí)間和擋光片通過(guò)光電門的時(shí)間相同，這是因?yàn)榇盆F和擋光片的速度始終相同，若磁鐵經(jīng)過(guò)線圈的時(shí)間增加兩倍，擋光片經(jīng)過(guò)光電門的時(shí)間也必增加兩倍，即磁鐵經(jīng)過(guò)線圈所用時(shí)間與擋光片經(jīng)過(guò)光電門所用時(shí)間的比值始終是一個(gè)定值。

線圈連接到微電流傳感器（因電流太大，需串聯(lián)一個(gè)電阻箱），光電門連接到數(shù)據(jù)采集器。Trie數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)打開實(shí)驗(yàn)《感應(yīng)電流的測(cè)量》，單擊右上角的光電門、滴定設(shè)置，選擇“直線運(yùn)動(dòng)、獨(dú)立測(cè)量”，下一步選擇“檔光時(shí)間、單擋光板”，下一步選上“光電門傳感器、滴定傳感器觸發(fā)采集”，數(shù)據(jù)選“檔光時(shí)間”，單擊完成。增加線，X軸選“檔光時(shí)間”，Y軸選“微電流”，單擊增加。同時(shí)為了提高精度，采集時(shí)間選20秒，間隔選2.5毫秒。我們即可開始實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，小車滑動(dòng)速度不宜過(guò)大，小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)要求，過(guò)光電門時(shí)盡量勻速。數(shù)據(jù)采集完成后導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可分析。采集的感應(yīng)電流有正有負(fù)，這里我們統(tǒng)一選用正的感應(yīng)電流分析。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出—圖像，可以看出大致成一條直線，即 ， 即一定， 。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從以上實(shí)驗(yàn)我們可總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

當(dāng)磁通量變化的時(shí)間一定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量成正比，即一定，；當(dāng)磁通量的變化量一定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化的時(shí)間成反比，即一定， 。

我們聯(lián)合起來(lái)寫就是：， 即法拉第電磁感應(yīng)定律。