劉 紅 田維毛

(重慶市第一中學(xué)校 重慶 400030)

1 問題的提出

在高三物理一輪復(fù)習(xí)中，筆者在進(jìn)行電磁感應(yīng)的復(fù)習(xí)時(shí)，遇到一個(gè)有關(guān)法拉第圓盤的問題，題目如下：

【題目】如圖1所示為感應(yīng)式發(fā)電機(jī)，a,b,c,d是空間4個(gè)可用電刷與銅盤邊緣接觸的點(diǎn)，O1,O2是銅盤軸線導(dǎo)線的接線端，M,N是電流表的接線端.現(xiàn)在將銅盤轉(zhuǎn)動(dòng)，能觀察到感應(yīng)電流的是( )

圖1 題目題圖

A．將電流表的接線端M和N分別連接a和c位置

B．將電流表的接線端M和N分別連接O1和a位置

C．將電流表的接線端M和N分別連接O1和O2位置

D．將電流表的接線端M和N分別連接c和d位置

1.1 出題者給出的解答

正確選項(xiàng)B.理由是：當(dāng)銅盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，此時(shí)銅盤相當(dāng)于電源，銅盤邊緣和中心相當(dāng)于電源的兩個(gè)極，則要想觀察到感應(yīng)電流，M和N應(yīng)分別連接電源的兩個(gè)極即可，故可知只有選項(xiàng)B正確.

1.2 筆者的定性分析

筆者分析時(shí)首先做了以下簡化處理：磁極正對以外的部分圓盤中的磁場比磁極正對部分圓盤的磁場弱得多(因異名磁極正對)，因而磁極正對以外部分圓盤因圓盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢比磁極正對部分圓盤產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢小得多，忽略它在研究問題中的影響.

圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓盤在磁場中的半徑將切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，在磁極正對的部分圓盤相當(dāng)于電源，在磁極正對以外的部分圓盤相當(dāng)于外電阻，這樣在圓盤上就形成閉合回路.圓盤的電路結(jié)構(gòu)關(guān)于直徑ac呈對稱分布，在圓盤里就形成了如圖2所示的電流.

圖2 圓盤中的電路結(jié)構(gòu)

因?yàn)閳A盤中的電流分布關(guān)于ac對稱(如圖3)，左右兩個(gè)半圓盤中的感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向相反，磁通量抵消，所以感應(yīng)電流在圓盤中引起的磁通量為零.整個(gè)圓盤在旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁通量沒有發(fā)生變化，因感應(yīng)電流的在圓盤中引起的磁通量也為零，所以符合電磁感應(yīng)原理.依據(jù)筆者分析，在ac和cd間就存在電壓，接上電流表就會觀察到感應(yīng)電流.

圖3 圓盤中的電流分布

1.3 疑惑

出題者給出的解答正確，還是筆者的分析正確？只有實(shí)驗(yàn)?zāi)芑卮疬@個(gè)問題.

2 問題的探究

2.1 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

筆者用機(jī)器人編程比賽中的VEX393電動(dòng)機(jī)(附VEX393電動(dòng)機(jī)編碼器)來帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，通過編寫程序來實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制，固定的支架來固定用銅片做成的電刷，保證圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，測量點(diǎn)相對地的空間位置不變.用朗威微電流傳感器LW-E821來測圓盤中兩點(diǎn)間的電流.最終設(shè)計(jì)出了如圖4的實(shí)驗(yàn)裝置來進(jìn)行科學(xué)探究.

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

因?yàn)闆]有銅盤，筆者就用鋁盤來做這個(gè)實(shí)驗(yàn).

(1)實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)底座(安裝電動(dòng)機(jī)、圓盤、磁鐵、電刷支架，并固定其相對位置)1個(gè)，半徑11.6 cm的鋁盤1個(gè)，電刷支架及電刷2個(gè)，強(qiáng)磁體1個(gè)，朗威微電流傳感器LW-E821(量程-1 μA～+1 μA，精度0.01 μA)，YiHUA3005D數(shù)字穩(wěn)壓直流電源1臺，VEX V4主控器1個(gè)，VEX393電動(dòng)機(jī)1個(gè)(附VEX393電動(dòng)機(jī)編碼器)，電源開關(guān)1個(gè)，導(dǎo)線若干.

(2)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

圓盤直接由VEX393電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn).為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速基本恒定，用VEXV4主控器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：通過VEX393電動(dòng)機(jī)編碼器檢測實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，每100 ms檢測調(diào)節(jié)一次，若低于設(shè)定轉(zhuǎn)速，主控器增加電動(dòng)機(jī)輸出功率，提高轉(zhuǎn)速，反之則降低轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制.最終將轉(zhuǎn)速控制在90 r/min，經(jīng)實(shí)測每分鐘轉(zhuǎn)速為：(90±1) r.

(3)實(shí)驗(yàn)過程

1)按圖連接電路，把朗威微電流傳感器LW-E821一端連接在轉(zhuǎn)軸O，另一端通過電刷連接在圓盤上的測量位置，然后啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，待圓盤穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)后開始測量(用微電流傳感器0.05 s采集一個(gè)數(shù)據(jù)，連續(xù)測量300個(gè)數(shù)據(jù)，求平均值).

2)關(guān)閉電源，記錄數(shù)據(jù)(電流平均值).

3)移動(dòng)電刷位置，再重復(fù)1)、2)步驟.

4)完成實(shí)驗(yàn)，關(guān)閉電源，整理器材.

(4)數(shù)據(jù)記錄及處理

以圓盤轉(zhuǎn)軸O為坐標(biāo)原點(diǎn)，以ac為y軸，bd為x軸，建立直角坐標(biāo)系,如圖5所示，記錄數(shù)據(jù)如表1所示.

圖5 建立直角坐標(biāo)系

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

用Excel表格擬合電流(亦可反映電勢差)隨研究位置到O的距離變化規(guī)律如圖6(虛線是筆者手動(dòng)擬合的)所示.

圖6 電流隨距離的變化

(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

dO連線上的位置與O間的電勢差隨研究位置到O的距離增大而增大，在大于7 cm后電壓趨于不變；cO連線上的位置與O間的電勢差隨研究位置到O的距離增大而增大，但整體變化很小；aO連線上的位置與O間的電勢差隨研究位置到O的距離增大而先減小后增大，具體為在4 cm附近最小，在9 cm附近最大.

3 問題的引申

法拉第圓盤發(fā)電機(jī)還有一個(gè)問題困擾著一部分物理教師，就是圓心和圓盤邊緣與電表相連，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓盤中的磁通量沒有變化，為什么電表會有示數(shù)？這個(gè)問題的關(guān)鍵就是要徹底理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的條件：閉合回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，這里的“回路”是同一閉合回路.比如要研究電表所在回路就應(yīng)該以同一圓盤半徑(等效輻條)和導(dǎo)線、電表構(gòu)成的電路為回路來研究(如圖7)，在輻條轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該閉合回路中的磁通量必有變化，所以電流表中就有電流.

圖7 法拉第圓盤發(fā)電原理圖

過去在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室難以完成的探究實(shí)驗(yàn)，在科學(xué)技術(shù)高度融合的今天也可以完成，這對培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)有莫大的裨益：以后當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)疑惑時(shí)，就能通過實(shí)驗(yàn)來加以釋疑，糾正錯(cuò)誤的認(rèn)知.教師就能把科學(xué)探究這只“點(diǎn)金之手”展示給學(xué)生，讓學(xué)生看到科學(xué)探究的過程，養(yǎng)成科學(xué)探究的習(xí)慣，通過設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)過程中著重培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究的核心素養(yǎng).