李展華
(浙江省臨海市回浦中學(xué),浙江 臺州 317000)
“法拉第電磁感應(yīng)定律”是新教材選擇性必修第2冊第2章“電磁感應(yīng)”中的第2節(jié)內(nèi)容.課標(biāo)中對本節(jié)的要求是通過實驗理解法拉第電磁感應(yīng)定律.[1]教材中是這樣安排的,先通過定性演示“做一做”,得出影響感應(yīng)電動勢大小的因素,隨后便以陳述事實的方式給出法拉第電磁感應(yīng)定律.[2,3]教材這樣的處理有明顯不足:(1)知識跨度大,學(xué)生對規(guī)律形成過程的體驗不夠;(2)沒有定量實驗,證據(jù)略顯不足.
驗證法拉第電磁感應(yīng)定律的實驗,目前市面上比較成熟的教具主要是朗威的兩款產(chǎn)品:法拉第電磁感應(yīng)定律實驗器Ⅰ(LWQ812,如圖1所示)和法拉第電磁感應(yīng)定律實驗器Ⅱ(LWQ828,如圖2所示).前者是驗證動生電動勢和速度關(guān)系的實驗裝置,后者是驗證感生電動勢和磁通量變化率關(guān)系的實驗裝置.這兩款產(chǎn)品的優(yōu)點是操作方便、可視化強、精度高,缺點是結(jié)果太過完美、讓人產(chǎn)生懷疑,或者說結(jié)果的形成過程缺乏學(xué)生的思維參與.基于以上分析,筆者吸收了朗威法拉第電磁感應(yīng)定律實驗器Ⅰ和實驗器Ⅱ的優(yōu)點,同時借助常規(guī)器材或自制簡易器材,設(shè)計了“定量驗證法拉第電磁感應(yīng)定律的簡易組合裝置”,力圖實現(xiàn)以下教學(xué)目標(biāo).
圖1 驗證動生電動勢和速度關(guān)系的裝置
圖2 驗證感生電動勢和磁通量變化率關(guān)系的裝置
(1)借助自制裝置進(jìn)行定量驗證,降低思維難點,增強學(xué)生的思維參與,豐實規(guī)律的形成過程.
(2)通過定量研究加深對規(guī)律的理解,增強證據(jù)意識,讓學(xué)生體會物理思想方法的妙用,如轉(zhuǎn)化法、對稱性等.
教具主要構(gòu)成如圖3所示.包括朗威電壓傳感器、柱形強磁鐵、透明PVC管(內(nèi)徑3.2cm、外徑3.4cm、長70cm)、變壓器線圈(200匝、800匝、1400匝)、自制扇環(huán)形組合線圈(“60匝90°和60匝270°”“200匝120°和200匝240°”).值得一提的是,如何測量線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢呢?首選是指針式靈敏電表,它的優(yōu)點是器材簡單易取、獨立顯示,不足是可視性不強且讀數(shù)較為困難.因此,這里采用朗威DIS電壓傳感裝置.
圖3 裝置主要構(gòu)件
(1)突破點.驗證E∝n時如何實現(xiàn)不同匝數(shù)線圈中相同?中相同.
圖4 變壓器線圈及柱形強磁鐵
(2)操作要領(lǐng).手動豎直向上拔出柱形強磁鐵,傳感器采樣頻率設(shè)為100Hz.
(3)效果展示.圖5是接入匝數(shù)為200匝和800匝時,柱形強磁鐵以不同速度從線圈骨架中拔出時,電壓傳感器測得兩線圈中感應(yīng)電動勢的峰值情況.可知,當(dāng)抽拔磁鐵速度不同時,同一線圈中感應(yīng)電動勢峰值不同,但同一次操作中兩線圈中感應(yīng)電動勢峰值之比近似為1∶4,與線圈的匝數(shù)比相等.類似地可分析圖6所示結(jié)果.在誤差范圍內(nèi),當(dāng)一定時,E∝n成立.
圖5 匝數(shù)為200匝和800匝線圈
圖6 匝數(shù)為200匝和1400匝線圈
對策:采用變壓器線圈的不同匝數(shù),如圖4所示.變壓器不同匝數(shù)線圈共用一個骨架,當(dāng)柱形強磁鐵從骨架中豎直拔出時,在這很短的Δt內(nèi),不同匝數(shù)線圈中ΔΦ相同.這樣就實現(xiàn)了不同匝數(shù)線圈在同一過程
對策:借助透明PVC管約束強磁鐵的運動軌跡,實現(xiàn)強磁鐵相對線圈的初末位置不變,即線圈中ΔΦ不變.
(2)實驗原理.當(dāng)透明PVC管傾角不同時,讓柱形強磁鐵每次從線圈內(nèi)同一位置沿PVC管開始滑落至最低端,這樣每次磁鐵相對線圈的初、末位置相同,線圈內(nèi)每次的磁通量變化量ΔΦ相同,如圖7.若,則通過轉(zhuǎn)化法,轉(zhuǎn)化為驗證是否為定值.[4]
圖7 實驗情形
(3)操作要領(lǐng).采用變壓器線圈中的1400匝,傳感器采樣頻率設(shè)為100Hz,借助朗威數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的積分功能求“∑Ei·Δti”.
(4)效果展示.實驗結(jié)果如圖8所示,當(dāng)PVC管傾角逐漸增加時,積分值“∑Ei·Δti”幾乎不變.說明,當(dāng)n、ΔΦ一定時,是成立的.
圖8 PVC管傾角逐漸增加時情形
(1)突破點.驗證E∝ΔΦ時如何實現(xiàn)不同線圈中Δt同而ΔΦ成倍數(shù)關(guān)系?
對策:應(yīng)用對稱性自制同心扇環(huán)形組合線圈,如圖9.
圖9 實驗情形
(2)實驗原理.如圖10所示,自制的同心扇環(huán)形組合線圈(200匝120°和200匝240°)面積比為1∶2,柱形強磁鐵產(chǎn)生的磁場在空間關(guān)于中心軸對稱分布.這時當(dāng)強磁鐵垂直線圈面插入或拔出時,穿過兩線圈的磁感線條數(shù)比始終為1∶2,即磁通量比為1∶2,那么在一短暫過程中穿過兩線圈的磁通量變化量之比也為1∶2.
圖10 原理分析
(3)操作要領(lǐng).扇環(huán)形線圈水平放置,手動豎直向上拔出柱形強磁鐵,傳感器采樣頻率設(shè)為100Hz.
(4)效果展示.
實驗結(jié)果如圖11所示,不論使用柱形強磁鐵或小磁鐵,豎直向上拔出時均有感應(yīng)電動勢比為1∶2.即n、Δt一定時,E∝ΔΦ成立.
圖11 實驗操作及效果
該組合裝置也還有一定的優(yōu)化空間:(1)同心扇環(huán)形線圈的繞制可借助工業(yè)技術(shù)進(jìn)一步精致,以提高精確度.(2)實驗裝置略顯零散,可更加集成化.可考慮將3方面的實驗內(nèi)容均由一個組合線圈完成,如圖12所示,扇環(huán)形線圈“90°150匝”與“90°300匝”來驗證E∝n,扇環(huán)形線圈“90°300匝”與“180°300匝”來驗證E∝ΔΦ,任意1個均可驗證.該線圈經(jīng)反復(fù)調(diào)試,目前實驗誤差能控制在10%-15%,還有待進(jìn)一步優(yōu)化.
圖12 新型組合線圈