張承祖 房慶安

(1. 蘇州科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2. 蘇州第十中學(xué)，江蘇 蘇州 215000)

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1 裝置說明

(1) 101是教學(xué)用變頻電源，已經(jīng)獲得國(guó)家實(shí)用新型專利，專利號(hào)：ZL 201420496643.5.它能提供頻率1 Hz-10 kHz、電壓0-25 V連續(xù)可調(diào)的交流變頻電壓，在此為振動(dòng)臺(tái)102提供電源之用.教學(xué)用變頻電源之原理與制作可參閱文獻(xiàn)[2].

(2) 102是教學(xué)用振動(dòng)臺(tái),是一個(gè)振動(dòng)源，振動(dòng)臺(tái)詳細(xì)制作原理和方法，請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[3].在此基礎(chǔ)上筆者又新增內(nèi)置電流過載保護(hù)裝置，外置機(jī)械保護(hù)裝置，防止拆卸裝置時(shí)用力不當(dāng)損壞振動(dòng)臺(tái).振動(dòng)臺(tái)之振動(dòng)軸的振動(dòng)頻率和振幅(最大振幅±10 mm)由提供電源的頻率和電壓所決定的，在此為強(qiáng)磁鐵103提供振動(dòng)源之用.

(3) 103是強(qiáng)磁鐵，為釹鐵硼永磁體，形狀為中心帶孔的圓柱體，安裝固定在振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)軸上，在此為方形線圈104提供磁場(chǎng).

(4) 104是方形線圈，為學(xué)生實(shí)驗(yàn)可拆變壓器之線圈，將之套在強(qiáng)磁鐵103上，匝數(shù)的多少直接影響產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，在此為產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之用.

(5) 105是示波器，為普通模擬信號(hào)示波器(J2459)，在此為測(cè)量方形線圈104中所產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向之用.使用時(shí)將示波器105調(diào)整為中心小圓亮點(diǎn)，Y軸輸入和接地分別與方形線圈104兩端相接.

2 工作原理

圖2 磁鐵振動(dòng)圖像

圖3 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與時(shí)間t關(guān)系圖像

圖4 示波器中心亮點(diǎn)上下振動(dòng)圖像

3 使用說明

如圖1連接好電路，學(xué)生示波器(J2459)和教學(xué)用變頻電源分別接通220V交流電源，打開示波器的開關(guān)，聚焦成一個(gè)小圓點(diǎn)于屏幕中心，垂直衰減旋鈕旋至1和Y增益旋鈕順時(shí)針旋到底(0.05 V/格)，學(xué)生示波器使用說明書里有詳細(xì)說明；教學(xué)變頻電源按ON開關(guān)，電源啟動(dòng)，頻率選擇旋鈕旋至100 Hz擋，選擇適當(dāng)?shù)慕涣麟妷汉皖l率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析.詳見定量分析如表1、表2.

數(shù)據(jù)采集說明： ① 由于示波器水平掃描線上下偏移只有4格，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小最大只能取±0.20 V(0.05V/格).② 為了讀數(shù)方便感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小取的是整數(shù)格.③ 振動(dòng)臺(tái)之振動(dòng)軸上下最大振幅±10 mm，因此強(qiáng)磁鐵的振幅受到限制.④ 由于強(qiáng)磁鐵相對(duì)較重，在選擇振動(dòng)頻率時(shí)盡量選得低一點(diǎn)，否則振動(dòng)慣性太大而影響實(shí)驗(yàn)效果.

定量分析見表1、表2

表1 定量分析數(shù)據(jù)

表2 定量分析數(shù)據(jù)

圖5

圖6

在物理教學(xué)中，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У亟鉀Q教學(xué)中的疑點(diǎn)或難點(diǎn)，從而達(dá)到加深學(xué)生對(duì)基本概念和基本理論的理解.筆者經(jīng)過多年的努力和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)制作了這一款法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)裝置.通過對(duì)教學(xué)變頻電源輸出電壓和輸出頻率的控制，就能有效地控制ΔФ和Δt的變化，直接讀出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，并能進(jìn)行有效的定量分析.充分證明了閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比.