尹德都 劉艷 彭鑫 周寧

(楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 云南 楚雄 675000)

李世平

(楚雄州民族中學(xué) 云南 楚雄 675000)

王冬冬

(楚雄州第一中學(xué) 云南 楚雄 675000)

圖1 數(shù)字示波器定量驗(yàn)證電磁感應(yīng)定律原理圖

1 基于亥姆霍茲線圈的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)

基于亥姆霍茲線圈的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計(jì)的原理圖如圖2所示，設(shè)備核心在于利用亥姆霍茲線圈模擬出均勻的磁場.當(dāng)矩形線圈懸掛在設(shè)備支架上的彈簧下方時(shí)，向下拉矩形線圈使其偏離平衡位置，松手后矩形線圈將在彈簧彈力的作用下上下振動(dòng)，穿過矩形線圈中的磁通量發(fā)生變化從而產(chǎn)生感應(yīng)電流.用漆包線繞制出兩個(gè)大小和線圈匝數(shù)相同的圓形線圈，將兩圓形線圈同軸并豎直固定在實(shí)驗(yàn)裝置的水平底座上，且使兩圓形線圈間的距離與圓形線圈的半徑相等.當(dāng)兩個(gè)圓形線圈通入方向和大小相同的電流時(shí)，由于兩圓形線圈通入穩(wěn)恒的電流，在兩個(gè)通電圓形線圈周圍將形成穩(wěn)定的磁場.根據(jù)磁場的疊加原理，將在兩個(gè)通電圓形線圈的圓心連線中點(diǎn)附近區(qū)域形成近似均勻的磁場[8].當(dāng)改變通入圓形線圈中的電流大小時(shí)，可以改變亥姆霍茲線圈所產(chǎn)生的近似均勻磁場的大小.

圖2 基于亥姆霍茲線圈的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計(jì)原理圖

基于亥姆霍茲線圈的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)物圖如圖3所示.實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，還需用漆包線繞制出兩個(gè)大小相同而匝數(shù)成倍數(shù)關(guān)系的矩形線圈(線圈匝數(shù)分別為250匝和500匝)，用以探究當(dāng)改變線圈匝數(shù)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流的大小.由于自制亥姆霍茲線圈模擬均勻磁場強(qiáng)度較小，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流偏小，可用工作電壓較小的發(fā)光二極管并聯(lián)焊接在電路板上制作一套顯示屏，通過顯示屏上發(fā)光二極管的亮度，可以定性判斷出相應(yīng)的感應(yīng)電流大小.也可將顯示屏更換為靈敏電流計(jì)，半定量地測出感應(yīng)電流的大小.

圖3 基于亥姆霍茲線圈的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖

2 基于亥姆霍茲線圈的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀教學(xué)示例

2.1 探究感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與磁通量變化率的關(guān)系

探究感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與磁通量變化率的關(guān)系時(shí)，保持矩形線圈的匝數(shù)不變，當(dāng)改變磁通量的變化率時(shí)，通過觀察自制的發(fā)光二極管顯示屏的亮度或靈敏電流計(jì)指針的最大偏轉(zhuǎn)角度來探究感應(yīng)電流的大小.該裝置有兩種方法改變磁通量的變化率，其一為保持磁通量變化的時(shí)間Δt相同，改變磁通量變化量ΔΦ；其二為保持磁通量變化量ΔΦ相同，改變磁通量變化的時(shí)間Δt，具體操作為：

(1)磁通量變化的時(shí)間相同時(shí)改變磁通量變化量

將用于模擬勻強(qiáng)磁場的亥姆霍茲線圈的工作電壓分別調(diào)至5 V和10 V，使亥姆霍茲線圈模擬的勻強(qiáng)磁場強(qiáng)度成倍數(shù)關(guān)系[5].保持矩形線圈的匝數(shù)相同，讓矩形線圈在亥姆霍茲線圈的兩線圈之間的區(qū)域中以同一振幅振動(dòng)，使矩形線圈在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相同，用靈敏電流計(jì)測出電流大小.

通過實(shí)驗(yàn)探究可以觀察到：當(dāng)矩形線圈匝數(shù)n為500匝時(shí)，使該線圈在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)間Δt相同.此時(shí)，若亥姆霍茲線圈的工作電壓加倍，穿過矩形線圈的磁通量變化量ΔΦ也加倍，觀察到靈敏電流計(jì)指針的最大偏轉(zhuǎn)角度也加倍，其對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電流大小也加倍.說明在線圈匝數(shù)n和磁通量變化的時(shí)間Δt一定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢E與磁通量變化量ΔΦ成正比.

(2)磁通量變化量相同時(shí)改變磁通量變化的時(shí)間

保持矩形線圈的匝數(shù)不變，將亥姆霍茲線圈接入的工作電壓固定為10 V，通過改變彈簧拉伸的長度改變矩形線圈的運(yùn)動(dòng)速度來改變完成磁通量變化的時(shí)間Δt，用靈敏電流計(jì)顯示出電流的大小.

通過實(shí)驗(yàn)探究可以觀察到：當(dāng)矩形線圈匝數(shù)n為500匝時(shí)，由于亥姆霍茲線圈的工作電壓固定在10 V，矩形線圈所處磁場強(qiáng)度恒定，線圈在磁場中完成一次振動(dòng)對(duì)應(yīng)的磁通量變化量ΔΦ相同.我們觀察到當(dāng)矩形線圈切割磁感線的時(shí)間越短，電路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大.可以得出閉合電路中線圈匝數(shù)n和磁通量變化量ΔΦ一定時(shí)，完成磁通量變化的時(shí)間Δt越短，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢E越大.

綜上得出感應(yīng)電動(dòng)勢大小由磁通量變化量和產(chǎn)生磁通量變化的時(shí)間共同決定，當(dāng)閉合電路中線圈匝數(shù)一定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與磁通量變化率成正比.

2.2 探究感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與線圈匝數(shù)的關(guān)系

保持亥姆霍茲線圈的工作電壓為10 V，使亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場恒定.由于250匝和500匝矩形線圈的質(zhì)量不一致，可在250匝的矩形線圈掛上適量的砝碼，使兩矩形線圈的質(zhì)量相等.讓兩矩形線圈在亥姆霍茲線圈中以同一振幅振動(dòng)時(shí)，磁場恒定且線圈振動(dòng)情況相同，從而保證通過線圈的磁通量變化率相同.用靈敏電流計(jì)顯示出電流的大小.

通過上述實(shí)驗(yàn)探究過程，利用基于亥姆霍茲線圈的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，能直觀地探究出感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與線圈匝數(shù)和磁通量變化率之間的關(guān)系.

3 結(jié)束語

基于亥姆霍茲線圈的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)涵蓋了電生磁、磁場疊加、磁生電、能量轉(zhuǎn)化等物理知識(shí)的綜合應(yīng)用，能讓學(xué)生將課堂所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐[9，10].當(dāng)它作為引入實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過創(chuàng)設(shè)物理情境，觀察二極管的亮暗變化，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.也可通過文中探討的實(shí)驗(yàn)過程，驗(yàn)證感應(yīng)電動(dòng)勢與磁通量變化率、線圈匝數(shù)的關(guān)系.該實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)新穎，操作方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯且實(shí)驗(yàn)成功率高；設(shè)備制作取材方便、重復(fù)性好，便于自制與推廣.