宋培文 唐林 苛麗娟

摘? ?要：本實(shí)驗(yàn)利用倍數(shù)法和控制變量法定量探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化量、時(shí)間的關(guān)系，得出法拉第電磁感應(yīng)定律。

關(guān)鍵詞：法拉第電磁感應(yīng)定律;定量探究;數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）11-0058-3

法拉第電磁感應(yīng)定律是中學(xué)物理的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于在實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)中，磁通量變化量的改變、對(duì)應(yīng)的時(shí)間和電動(dòng)勢(shì)測(cè)量比較困難，造成了實(shí)驗(yàn)探究的困難。考慮到多方面的因素，教材編寫和課標(biāo)要求都只停留在教師和學(xué)生通過定性探究和分析得出定量的結(jié)論[1]，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和教學(xué)的內(nèi)容雖能讓學(xué)生明白，但很難深入學(xué)生的內(nèi)心，這也在一定程度上增加了教與學(xué)的難度。為了服務(wù)教學(xué)，提高課堂的說服力，降低教學(xué)難度，我們?cè)趨⒖计渌蠋煂?duì)法拉第電磁感應(yīng)定律的定量探究的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)器材，使其既能定量探究，又制作簡(jiǎn)單、操作方便、易于推廣。

1? ? 變量控制方法和測(cè)量原理[2-3]

1.1? ? 變量的控制

（1）通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的調(diào)節(jié)改變?chǔ)

實(shí)驗(yàn)中將磁鐵固定在可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的橫桿上，橫桿在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速改變時(shí)間。本設(shè)計(jì)可以重復(fù)測(cè)量和較方便地改變時(shí)間。

（2）通過倍數(shù)法改變?chǔ)う?/p>

實(shí)驗(yàn)中在橫桿上的一端連續(xù)并排放置三組圓形強(qiáng)磁鐵，每組兩枚，實(shí)驗(yàn)時(shí)依次成倍地增加橫桿上磁鐵的個(gè)數(shù)，另外在橫桿的另一端對(duì)稱的位置上放置金屬片配重。本設(shè)計(jì)用倍數(shù)增加的方法解決了磁通量的改變問題。

1.2? ? 測(cè)量方案

用朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室DIS-lab7.2軟件和電壓傳感器進(jìn)行測(cè)量，利用軟件的測(cè)量、求和和繪圖功能，測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)的平均值，利用時(shí)間軸獲取發(fā)生電磁感應(yīng)的時(shí)間，利用繪圖功能研究數(shù)據(jù)特征。

2? ? 法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)方案介紹

2.1? ? 實(shí)驗(yàn)器材的介紹

實(shí)驗(yàn)器材規(guī)格（圖1）：（1）磁鐵：實(shí)驗(yàn)采用的磁鐵為10 mm×2 mm的圓形強(qiáng)磁鐵;（2）配重：一枚一元的硬幣;（3）直流電動(dòng)機(jī)：12 V無極變速直流電動(dòng)機(jī);（4）電源：7個(gè)干電池組成的電池組;（5）電壓傳感器：朗威多量程電壓傳感器（LW-E844），朗威數(shù)據(jù)采集器（LW-D801），朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室軟件DIS-lab7.2;（6）計(jì)算機(jī);（7）線圈：大?。?5 mm×75 mm×9 mm，匝數(shù)：100匝，銅絲直徑：0.3 mm;（8）面板：500 mm×700 mm左右;（9）橫桿長(zhǎng)度：600 mm左右。

2.2? ? 實(shí)驗(yàn)器材的制作

（1）橫桿的制作：橫桿是由實(shí)驗(yàn)室的直尺改造而成，制作時(shí)在中央位置打一個(gè)3 mm的小孔，便于固定在直流電動(dòng)機(jī)上。然后，用10 mm的開孔器在尺子的一端依次開孔，開孔個(gè)數(shù)為3組6個(gè)，每一組小孔對(duì)稱，相鄰的兩組孔中心間距為13 mm。最后，在另一端與第二組對(duì)稱的位置開一個(gè)小孔，放置一枚硬幣配重。

（2）電動(dòng)機(jī)的安裝：面板的中間位置打孔4 mm，讓直流電動(dòng)機(jī)從背面穿過面板接在橫桿上，用熱熔膠將電動(dòng)機(jī)固定在面板上。

（3）電源的安裝：用7節(jié)干電池組成的電池組供電，采用香蕉頭對(duì)應(yīng)每一節(jié)電池的位置用于改變直流電動(dòng)機(jī)的電壓。

（4）線圈的固定：用美工刀在面板上直流電動(dòng)機(jī)的正下方對(duì)應(yīng)3組磁鐵的位置開孔，磁鐵靜止放置時(shí)剛好全部落入線圈中，線圈置入孔中固定，預(yù)留接線柱連接傳感器。如圖2所示。

2.3? ? 實(shí)驗(yàn)操作步驟

2.3.1? ? Δφ一定時(shí)，改變?chǔ)，研究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與Δt的關(guān)系

（1）連接電路：將電壓傳感器的測(cè)量端與線圈連接，然后將傳感器與朗威傳感器數(shù)據(jù)接收器通道1連接、計(jì)算機(jī)連接;

（2）設(shè)置軟件：打開朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室DIS-lab7.2軟件，選擇“通用軟件”—“計(jì)算表格”—添加數(shù)據(jù)“時(shí)間t”和“=1/t”，然后關(guān)閉。

（3）測(cè)量：選擇“電壓U1—時(shí)間t”，在橫桿上對(duì)稱地放置一組磁鐵，接通電源（兩節(jié)干電池），點(diǎn)擊“采集控制—開始”一段時(shí)間后點(diǎn)擊“采集控制—停止”結(jié)束采集數(shù)據(jù)→使用拖曳工具，將測(cè)量的數(shù)據(jù)部分拖曳到屏幕內(nèi);然后選擇“圖線控制”→“Y縮放”縮放到適當(dāng)比例→使用區(qū)域選擇工具，選擇磁鐵進(jìn)入線圈時(shí)電壓傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)，即上半部分的曲線（如圖3所示）→點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理—其他處理—求平均值”求出平均值→點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”記錄到表格中→從“X標(biāo)尺”讀數(shù)時(shí)間并手動(dòng)記錄在表格中。

（4）改變電動(dòng)機(jī)的電源所接電池的節(jié)數(shù)以改變電壓，改變磁鐵的轉(zhuǎn)數(shù)（即改變磁鐵進(jìn)入線圈的時(shí)間），重復(fù)步驟（3）的操作，得到多組數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)依次記錄在表格中（見表1），關(guān)閉直流電動(dòng)機(jī)的電源。

（5）打開計(jì)算表格，依次輸入記錄的時(shí)間，然后點(diǎn)擊“組合圖線1”，以“電動(dòng)勢(shì)（U1）”為y軸，“時(shí)間的倒數(shù)”為x軸，添加“電壓U1-時(shí)間的倒數(shù)”圖線（圖4），得到如圖5所示的圖像。

（6）分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

2.3.2? ? Δt一定時(shí)，改變?chǔ)う?，研究感?yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與Δt的關(guān)系

（7）保持電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，成倍增加磁鐵的個(gè)數(shù)，重復(fù)測(cè)量并記錄3組電動(dòng)勢(shì)的大小，數(shù)據(jù)見表2。

（8）打開“計(jì)算表格”添加變量“磁通量的變化量”，用1、2、3分別表示三次測(cè)量的磁通量的倍數(shù)關(guān)系（見表2）。添加組合圖線，以“電動(dòng)勢(shì)U1”為y軸、以“磁通量的變化量”為x軸建立坐標(biāo)系，得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與磁通量的變化量的關(guān)系，如圖6所示。

（9）分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論。

3? ? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的反思

3.1? ? 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，操作方便。

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍磸?fù)重現(xiàn)。

（3）時(shí)間可調(diào)、可控、可測(cè)。

（4）用倍數(shù)法巧妙地解決了磁通量難以測(cè)量的問題。

（5）利用傳感器和DIS系統(tǒng)測(cè)量、記錄和處理數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法誤差大、耗時(shí)多的缺點(diǎn)，提高了課堂效率。

（6）實(shí)驗(yàn)測(cè)得的是平均值，更符合規(guī)律的講解，同時(shí)時(shí)間非常短時(shí)，可以近似地認(rèn)為是瞬時(shí)值，方便學(xué)生對(duì)平均電動(dòng)勢(shì)和瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)的理解。

3.2? ? 本實(shí)驗(yàn)還可以改進(jìn)的地方

（1）電動(dòng)機(jī)可以改用步進(jìn)電機(jī)和電子電路控制，使磁鐵圓周運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定，減小線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流時(shí)對(duì)磁鐵運(yùn)動(dòng)的影響。

（2）線圈的形狀可以用扇形骨架繞制成扇形線圈，增加實(shí)驗(yàn)原理的準(zhǔn)確。

（3）可以添加線圈抽頭，改變?cè)褦?shù)，探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與匝數(shù)的關(guān)系。

（4）將磁鐵改為匝數(shù)較多的電磁鐵，并將電磁鐵固定，通過改變電磁鐵的電流改變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，從而改變磁通量的變化量;然后將線圈固定在橫桿上，通過金屬環(huán)引出接入到電壓傳感器測(cè)量，可以使操作更加方便。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳熙謀，吳祖仁.物理選修3-2[M].北京：教育科學(xué)出版社，2012：8-12.

[2]李強(qiáng).利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)，2013，35（7）：21-22.

[3]王志斌，余金龍，盧定山，等.研制實(shí)驗(yàn)裝置定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2011（7）：34-36.

（欄目編輯? ? 羅琬華）