李展華

（浙江省臨海市回浦中學(xué)，浙江 臺州 317000）

1 制作背景

1.1 對課標(biāo)及教材的解讀

“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(shí)驗(yàn)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(shí)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(yàn)不夠；（2）沒有定量實(shí)驗(yàn)，證據(jù)略顯不足.

1.2 本教具的創(chuàng)新之處

驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)器Ⅰ（LWQ812，如圖1所示）和法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)器Ⅱ（LWQ828，如圖2所示）.前者是驗(yàn)證動生電動勢和速度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置，后者是驗(yàn)證感生電動勢和磁通量變化率關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置.這兩款產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是操作方便、可視化強(qiáng)、精度高，缺點(diǎn)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(shí)驗(yàn)器Ⅰ和實(shí)驗(yàn)器Ⅱ的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)借助常規(guī)器材或自制簡易器材，設(shè)計(jì)了“定量驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律的簡易組合裝置”，力圖實(shí)現(xiàn)以下教學(xué)目標(biāo).

圖1 驗(yàn)證動生電動勢和速度關(guān)系的裝置

圖2 驗(yàn)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(yàn)證，降低思維難點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生的思維參與，豐實(shí)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(qiáng)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.

2 教具裝置簡介

教具主要構(gòu)成如圖3所示.包括朗威電壓傳感器、柱形強(qiáng)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(diǎn)是器材簡單易取、獨(dú)立顯示，不足是可視性不強(qiáng)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

3 設(shè)計(jì)原理與用途展示

（1）突破點(diǎn).驗(yàn)證E∝n時(shí)如何實(shí)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(qiáng)磁鐵

（2）操作要領(lǐng).手動豎直向上拔出柱形強(qiáng)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(shí)，柱形強(qiáng)磁鐵以不同速度從線圈骨架中拔出時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(qiáng)磁鐵從骨架中豎直拔出時(shí)，在這很短的Δt內(nèi)，不同匝數(shù)線圈中ΔΦ相同.這樣就實(shí)現(xiàn)了不同匝數(shù)線圈在同一過程

3.2 當(dāng)n、ΔΦ一定時(shí)，驗(yàn)證

對策：借助透明PVC管約束強(qiáng)磁鐵的運(yùn)動軌跡，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁鐵相對線圈的初末位置不變，即線圈中ΔΦ不變.

（2）實(shí)驗(yàn)原理.當(dāng)透明PVC管傾角不同時(shí)，讓柱形強(qiáng)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(yàn)證是否為定值.[4]

圖7 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，當(dāng)PVC管傾角逐漸增加時(shí)，積分值“∑Ei·Δti”幾乎不變.說明，當(dāng)n、ΔΦ一定時(shí)，是成立的.

圖8 PVC管傾角逐漸增加時(shí)情形

3.3 當(dāng)n、Δt一定時(shí)，驗(yàn)證E∝ΔΦ

（1）突破點(diǎn).驗(yàn)證E∝ΔΦ時(shí)如何實(shí)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(shí)驗(yàn)情形

（2）實(shí)驗(yàn)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(qiáng)磁鐵產(chǎn)生的磁場在空間關(guān)于中心軸對稱分布.這時(shí)當(dāng)強(qiáng)磁鐵垂直線圈面插入或拔出時(shí)，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(qiáng)磁鐵，傳感器采樣頻率設(shè)為100Hz.

（4）效果展示.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，不論使用柱形強(qiáng)磁鐵或小磁鐵，豎直向上拔出時(shí)均有感應(yīng)電動勢比為1∶2.即n、Δt一定時(shí)，E∝ΔΦ成立.

圖11 實(shí)驗(yàn)操作及效果

4 結(jié)束語

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(shí)驗(yàn)裝置略顯零散，可更加集成化.可考慮將3方面的實(shí)驗(yàn)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(yàn)證E∝n，扇環(huán)形線圈“90°300匝”與“180°300匝”來驗(yàn)證E∝ΔΦ，任意1個均可驗(yàn)證.該線圈經(jīng)反復(fù)調(diào)試，目前實(shí)驗(yàn)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