袁維兵

摘要：對“法拉第電磁感應(yīng)定律”的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究開發(fā)，現(xiàn)有教材既沒有對法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行嚴(yán)密推導(dǎo)又沒有實(shí)驗(yàn)定量演示，很不利于教師教和學(xué)生學(xué)。而法拉第電磁感應(yīng)定律又是高考重點(diǎn)。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)通過磁鐵的自由落體運(yùn)動穿過線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。將感應(yīng)電動勢與磁通量變化率的關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電流與磁鐵穿過線圈時(shí)的速度的關(guān)系，更近一步轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流與物體下落位移的關(guān)系。再通過實(shí)驗(yàn)用的數(shù)字電表測感應(yīng)電流，直尺測物體位移就很直觀的看出了感應(yīng)電動勢與磁通量變化率的關(guān)系。改變了由直接向?qū)W生傳授定律向?qū)W生實(shí)驗(yàn)探究的轉(zhuǎn)變，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和理解能力;又讓學(xué)生學(xué)習(xí)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法。讓學(xué)生對法拉第電磁感應(yīng)定律的理解更加完美。

關(guān)鍵詞：自由落體運(yùn)動;感應(yīng)電動勢;磁通量變化率;速度;位移

1.研究目的及意義

經(jīng)多次的高中課程改革，接觸到幾種不同時(shí)期不同版本的教材，都沒有一種教材有對法拉第電磁感應(yīng)定律的定量演示（或?qū)W生）實(shí)驗(yàn)。而且課本對于這節(jié)知識缺乏嚴(yán)密的理論推導(dǎo)。也就是學(xué)生在本節(jié)學(xué)習(xí)中既缺乏嚴(yán)密的理論推導(dǎo)又無實(shí)驗(yàn)探究。很不利于教師的教和學(xué)生的學(xué)。因此設(shè)計(jì)一個(gè)有效而直觀的實(shí)驗(yàn)，讓每一位同學(xué)和老師都能夠輕松愉快的在實(shí)驗(yàn)探究中理解法拉第電磁感應(yīng)定律中感應(yīng)電動勢與磁通量變化率的關(guān)系，這樣就讓學(xué)生很容易就突破了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。也就突破了高考的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.設(shè)計(jì)思路

原型啟發(fā)：在一次改裝用銅管演示楞次定律時(shí)，受到啟發(fā)能不能用磁鐵的自由落體運(yùn)動穿過線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，而將感應(yīng)電動勢與磁通量變化率的關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電流與物體位移的關(guān)系。

設(shè)計(jì)思路：讓磁鐵在塑料管中自由落體運(yùn)動穿過線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，我們就比較線圈在S.S/2.S/4三處的感應(yīng)電流與物體位移的關(guān)系。這樣就讓實(shí)驗(yàn)器材最簡化，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象最直觀，又便于實(shí)驗(yàn)操作，滿足每一位同學(xué)和老師都能進(jìn)行操作，而且可以反復(fù)操作，成功率達(dá)到100%。

3.設(shè)計(jì)原理

原理：設(shè)線圈半徑r，導(dǎo)線電阻率為ρ，導(dǎo)線橫截面積為s

則：線圈中的感應(yīng)電流：（外部直接接靈敏電流計(jì)并且忽略電表內(nèi)阻）

由此式可看出（1）電流與實(shí)驗(yàn)線圈的匝數(shù)無關(guān)，線圈的電阻率越小，線圈半徑越小，導(dǎo)線粗一點(diǎn)。感應(yīng)電流越大，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象越明顯。

（2）在線圈參數(shù)一定時(shí)，感應(yīng)電流與磁通量變化率成正比。

磁鐵每次從高處自由下落到穿入線圈時(shí)，穿過線圈的磁通量變化率最大，此時(shí)電流表的讀數(shù)最大。我們就比較每次電表的讀數(shù)最大值。

磁鐵每次從高處自由下落到穿入線圈時(shí)，每次穿過線圈的磁通量變化量是相同的，但由于下降高度不同，磁鐵穿過線圈的速度不同，而每次磁鐵穿入線圈的位移相同而且還比較小，磁鐵在這短暫的時(shí)間內(nèi)速度的變化很小，（由于安培力很小因而它的作用可以忽略）。所以磁鐵穿入線圈的時(shí)間與它的瞬時(shí)速度成反比。即磁鐵穿入線圈時(shí)的速度越大，穿過線圈的磁通量的變化越快，磁通量的變化率就越大。而磁鐵穿入線圈時(shí)的速度與位移的二分之一次方成正比，因而我們只需驗(yàn)證感應(yīng)電動勢（或感應(yīng)電流）的大小與磁鐵位移的二分之一次方是否成正比

4.設(shè)計(jì)方案

實(shí)驗(yàn)器材：鐵架臺 ?32mm塑料管線圈數(shù)字電表導(dǎo)線條形磁鐵

操作步驟：

（1）先將線管固定在鐵架臺上，線圈穿過線管固定在線管下端，并用重錘線檢查線管是否豎直。

（2）再連接好電流表，并將表選擇在AC200mA檔。

（3）將磁鐵多次從線管上端同一位置由靜止釋放，記下此時(shí)電流表的最大值。

（4）將線圈移至線管1/4（或1/2）處重復(fù)試驗(yàn)。

（5）比較前后兩次電流表的最大讀數(shù)之比與磁鐵位移的二分之一次方的關(guān)系并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

（6）整理器材。

5.實(shí)驗(yàn)效果

教師直接到裝修市場買部分?32mm的線管，線圈可以用實(shí)驗(yàn)室可拆變壓器的原副線圈，經(jīng)過簡單制作處理即可使用，學(xué)生分小組探究，反復(fù)操作效果非常好，再把分析過程留給學(xué)生交流討論，學(xué)生直觀感受深刻，分析也非常到位。教室里面直接放在講臺上操作即可，全班同學(xué)都能很清楚的看到整個(gè)過程，效果很好。